влияние концентрации ультрадисперсного порошка алмазографита на свойства пластичных смазочных материалов
DEFINITION OF THE INFLUENCE OF CONCENTRATION OF ULTRADISPERSE POWDER MIXTURE OF DIAMOND AND GRAPHITE ON THE PROPERTIES OF LUBRICATING GREASES
Докшанин С.Г. (ФГАОУ ВПО СФУ, г. Красноярск, РФ)
Dokshanin S.G. (Siberian Federal University, Krasnoyarsk)
В работе исследуется влияние концентрации твердой добавки ультрадисперсного порошка алмазографита на свойства пластичных смазочных материалов.
This paper investigates the influence of the concentration of ultradisperse additives on the properties of lubricating grease.
Ключевые слова: пластичный смазочный материал, антифрикционные свойства, ультрадисперсная добавка, узел трения.
Key words: lubricating greas, antifrictional properties, ultradisperse additives, friction unit.
Технология повышения качества серийных пластичных смазочных материалов введением в них определенных функциональных твердых добавок давно получила положительную оценку. Для таких смазочных материалов отмечается улучшение антифрикционных и противоизносных свойств, повышение нагрузки задира, возможность предотвращения схватывания трущихся поверхностей при потере работоспособности основного смазочного материала, улучшение герметизирующих свойств. В качестве таких добавок давно применяются графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, металлические порошки алюминия, меди, свинца, цинка, олова и других мягких металлов и сплавов на их основе, их оксиды или соли.
Поиск новых веществ для использования в качестве твердых добавок начинается тогда, когда возникает потребность в эффективных смазочных материалах с улучшенными триботехническими свойствами. Применяемые ранее добавки уже не удовлетворяют требованиям к эксплуатационным характеристикам узлов трения.
В последнее время находят весьма перспективным применение веществ с ультрадисперсными частицами. На протекающие в зоне контакта процессы большое влияние оказывает размер частиц твердых добавок, поскольку свойства малых частиц значительно отличаются от свойств массива из того же материала. Отмечено использование в качестве твердых добавок в смазочные материалы ультрадисперсного порошка политетрафторэтилена, фуллеренов и фуллереновых саж, ультрадисперсного алмаза и алмазографита, ультрадисперсных порошков меди, свинца, бронзы и других материалов [1, 2].
Цель проводимых исследований заключалась в определении оптимальной концентрации ультрадисперсного порошка алмазографита (УДПАГ) в пластичном смазочном материале, при которой наблюдаются максимальные улучшения его антифрикционных и противоизносных свойств. В качестве основы для внесения ультрадисперсной добавки использовался смазочный материал Литол-24. Исследования проводились для смазочных композиций с содержанием УДПАГ от 0,1 до 5 % от массы базового смазочного материала.
Экспериментальная часть работы выполнялась на машине трения МИ-1М по нескольким схемам. Антифрикционные свойства смазочных композиций оценивались по схеме «ролик-ролик». Так, на рис. 1 представлены графики, отражающие зависимости изменения момента трения Мтр от концентрации порошка алмазографита в смазке-основе для различных условий нагружения без проскальзывания на контакте. Образцы диаметром 40 мм и шириной 10 мм изготавливались из стали 45 без дополнительной термообработки. Контактирующие поверхности подготавливались шлифованием, параметр шероховатости Ra=1,6 мкм. Нагрузка P на образец изменялась от 100 до 1500 Н, частота вращения образца n = 430 об/мин. Время одного цикла испытаний составляло 60 мин.
Рисунок 1 − Зависимость момента трения от концентрации твердой добавки в смазочном материале Литол-24: 1 − Р=0,2 кН; 2 − Р=0,5 кН; 3 − Р=1,5 кН
Противоизносные свойства смазочных композиций исследовались по схеме «диск-колодка» при трении неподвижного образца о боковую поверхность вращающегося диска. Измерение износа образцов выполнялось методом искусственных баз нанесением на трущиеся поверхности отпечатка коническим индентором. На рис. 2 представлены сравнительные диаграммы изменения величины интенсивности изнашивания образцов при трении с пластичным смазочным материалом Литол-24 без добавки УДПАГ, а так же при ее введении в различных концентрациях.
Диск изготовлен из стали 45 с последующей термообработкой до HRC 45−50. Образцы для сравнения результатов износа изготавливались из различных материалов: сталь 45 (твердость HB 220), бронза БрО5Ц5С5 (твердость HB 60). Скорость скольжения образцов при всем цикле испытаний Vск = 1,13 м/с, нагрузка изменялась в диапазоне от 10 до 250 Н на заданном пути трения. Время одного цикла испытания составляло 3 часа.
Рисунок 2 − Диаграммы интенсивности изнашивания образцов по схеме «диск-колодка»
Анализ полученных результаты показал, что улучшение противоизносных свойств от введения твердой добавки УДПАГ в пластичный смазочный материал обнаруживается при концентрации в диапазоне от 0,5 до 3 % масс. Подобные результаты вполне соответствуют полученным ранее при исследовании подобных смазочных композиций, применяемых в подшипниках качения [3].
Итоги проведенных исследований могут иметь следующие объяснения. Пластичный смазочный материал после введения в него ультрадисперсной добавки начинает снижать свою структурную прочность. Это обусловлено внедрением в структуру дисперсионной среды ультрадисперсных частиц, что создает при этом расклинивающий эффект, приводит к нарушению межмолекулярных связей и снижает смазочную способность базового смазочного материала.
Можно отметить, что при концентрациях до 2−3 % масс. внедрение частиц в межструктурное пространство дисперсионной среды не приводит к чувствительному расклинивающему эффекту, а распределенные в объеме частицы снижают касательные напряжения в слоях смазочного материала. Кроме того, наблюдаются улучшения антифрикционных и противоизносных свойств, что подтверждено исследованиями [4]. Введение УДПАГ в малых концентрациях не приводит к повышению вязкости смазочного материала и не нарушает его реологические свойства.
Время процесса приработки поверхностей за счет присутствия в смазочном материале частиц ультрадисперсного алмазографита сокращается и происходит до тех пор, пока неровности не приобретут более приемлемые формы и размеры, обеспечивающие увеличение фактической площади контакта. При этом происходит активное повышение поверхностной температуры, что уменьшает вязкость смазочного материала и снижает сопротивление трению при качении роликов. Окончанием режима приработки можно считать состояние, когда наступает стабилизация значения момента трения.
для концентрации от 3 % и выше отмечается стабильное увеличение момента трения, что связано с некоторым скапливанием на площадке трения избыточных частиц твердой добавки. Высокая плотность частиц в смазочном материале и повышение ее вязкости не позволяет добавке равномерно распределиться по всему объему и приводит к образованию конгломератов с размерами, сопоставимыми с параметром шероховатости трущихся поверхностей, а их воздействие на микронеровности помогает увеличить интенсивность износа в начальный момент работы узла трения.
Основываясь на результатах лабораторных исследований можно заключить, что лучшими антифрикционными и противоизносными свойствами обладают созданные на основе пластичного смазочного материала Литол-24 смазочные композиции, в которых содержание твердой добавки ультрадисперсного порошка алмазографита составляло от 0,5 до 3 % от массы смазочного материала. Положительный эффект от введения твердой добавки в данном диапазоне концентрации наблюдался при всех видах контакта твердых тел, при изменении скоростей скольжения и нагрузок. Выбор необходимой концентрации ультрадисперсного порошка для внесения в смазочный материал определяется экспериментально исходя из действующих эксплуатационных условий узла трения.
Список используемых источников
1. Погодаев, Л.И. Новый пластичный смазочный материал / Л.И. Погодаев, В.Н. Кузьмин, В. М. Петров // Трение и смазка в машинах и механизмах. −2006. −№6. − С. 34-47.
2. Яхьяев, Н.Я. Смазочная композиция для улучшения трибологических характеристик смазочного материала / Н.Я. Яхьяев, Ж.Б. Бегов, Ш.Д. Батырмурзаев и др. // Трение и смазка в машинах и механизмах. −2010. −№ 7. −С. 29-32.
3. Терентьев, В.Ф. Трибонадежность подшипниковых узлов в присутствии модифицированных смазочных композиций/В.Ф.Терентьев, Н.В.Еркаев, С.Г. Докшанин. -Новосибирск: Изд-во «Наука» СО РАН, 2003. −142 с.
4. Люты, М. Методология создания смазочных материалов с наномодификаторами / М. Люты, Г.А. Костюкович, А.А. Скаскевич и др. // Трение и износ. −2002. −(25)№ 4. −С.411-424.