Повышение свойств ПЛАСТИЧНЫх СМАЗОЧНЫх МАТЕРИАЛов применением УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО НАПОЛНИТЕЛЯ
INCREASING OF PROPERTIES OF GREASES at the expense use of ULTRADISPERSE filling agent
Докшанин С.Г. (ФГАОУ ВПО СФУ, г. Красноярск, РФ)
Dokshanin S.G. (Siberian Federal University, Krasnoyarsk)
Рассматривается возможность повышения трибологических свойств пластичных смазочных материалов за счет введения в них ультрадисперсного порошка.
The possibility is considered of improving the antifrictional and antiwear properties of greases at the expense of use filling agent from a ultradisperse powder.
Ключевые слова: пластичный смазочный материал, антифрикционные свойства, ультрадисперсная добавка, узел трения.
Key words: lubricating greas, antifrictional properties, ultradisperse additives, friction unit.
Модификация серийных пластичных смазочных материалов проводится, в основном, за счет введения наполнителей, представляющих твердые нерастворимые вещества, которые в случае ужесточения эксплуатационных режимов должны поддерживать высокие антифрикционные и противоизносные свойства базового смазочного материала. В качестве таких наполнителей используется графит, дисульфид молибдена, тальк, порошки металлов, полимерные материалы и другие вещества, способные повышать смазочные свойства. Применение смазочных материалов с этими наполнителями выявило, однако, и их недостатки, такие как износ сопряженных поверхностей, снижение сопротивления усталостному изнашиванию при изменении фактической площади контакта и возникновение напряжений в поверхностных слоях, образование коррозии на поверхности трения, разупрочнение структуры пластичного смазочного материала [1, 2]. Так как повышенные требования к эксплуатационным свойствам смазочных материалов не могут быть удовлетворены вследствие этих недостатков, то приходится находить более совершенные вещества, которые могут вводиться в пластичные смазки в качестве наполнителей. Это позволит увеличить долговечность узлов трения за счет повышения несущей способности смазочного слоя, снижения сил трения на контакте, понижения рабочей температуры узла трения.
К новым материалам относится ультрадисперсный порошок алмазографита (УДПАГ), полученный методом детонационного синтеза в среде углекислого газа. Такой наполнитель наиболее подходит для применения в пластичных смазочных материалах, имеющих некоторую специфику работы в узлах трения. Поскольку на начальном этапе работы часть объема пластичной смазки будет выдавливается из зоны трения, это приводит к уменьшению толщины смазочного слоя. Если пополнения смазочного материала не происходит, то режим смазки начинает приближаться к граничному и при дальнейшем увеличении нагрузки происходит разрыв оставшейся тонкой смазочной пленки и переход к сухому трению. Это резко повышает коэффициент трения и, как следствие, температуру узла, что приводит к возникновению схватывания трущихся поверхностей.
В работе представлены результаты исследований, целью которых было изучение триботехнических свойств УДПАГ и возможность его применения в качестве наполнителя к пластичным смазочным материалам. Эффективность применения таких веществ является основанием для более детального их изучения, поскольку нет единого мнения о механизме действия ультрадисперсного алмазографита в смазочных материалах. В качестве основы для создания смазочных композиций была взята литиевая пластичная смазка ЦИАТИМ-201.
Применяемый в данной работе в качестве наполнителя ультрадисперсный порошок алмазографита представляет собой углеродсодержащий конденсированный продукт с размером частиц графита 10−60 нм. При малых размерах частиц удельная поверхность увеличивается, что приводит к возрастанию адгезионной активности и улучшению смазочных свойств.
На рис. 1 представлены зависимости изменения температуры узла от пути трения. Результаты получены при нагрузках 80 и 160 Н для базового смазочного материала и смазочной композиции.
а) б)
Рисунок 1‒Зависимости изменения температуры от пути трения для смазки ЦИАТИМ-201 при нагрузке 80 Н (а) и 160 Н (б): 1−без наполнителя; 2 − с наполнителем УДПАГ
Концентрация наполнителя составляла от 0,1 до 5 % от массы смазочного материала. Испытания проводились на лабораторной установке по схеме «диск-колодка» при трении неподвижного образца о боковую поверхность вращающегося диска. Образцы и диск изготавливались из стали 45 с последующей термообработкой до HRC 45−50. Скорость скольжения образца составляла 1,13 м/с, нагрузка изменялась в диапазоне от 10 до 250 Н на заданном пути трения. Измерения температуры узла трения проводились с помощью хромель-копелевой термопары, установленной на глубине 1,5 мм от поверхности неподвижного образца. Исследования свойств смазочных композиций проводились для концентрации наполнителя 1 % масс., которая является наиболее оптимальной при использовании УДПАГ в пластичных смазочных материалах [3]. Как видно на графиках, снижение температуры происходит при использовании смазочных материалов с добавкой УДПАГ. В целом, введение ультрадисперсного алмазографита в пластичную смазку позволило снизить температуру узла трения на 13−15 %.
Показанные на рис. 2 зависимости изменения коэффициента трения в своей основе коррелируют с соответствующими зависимостями изменения температуры, что объясняется единой природой этих процессов при трении. Результаты получены при нагрузках 150 и 250 Н.
а) б)
Рисунок 2 ‒ Зависимости изменения коэффициента трения от пути трения
для смазки ЦИАТИМ-201 при нагрузке 150 Н (а) и 250 Н (б):
1−без наполнителя; 2 − с наполнителем УДПАГ
Исследования показали, что использование добавки УДПАГ в пластичной смазке ЦИАТИМ-201 приводит к снижению коэффициента трения скольжения на 25−32 %. Аналогичные результаты были и при других режимах нагружения.
Результаты
исследования поверхностей трения показали, что введение ультрадисперсного
наполнителя приводит к улучшению качества поверхности. Начальный параметр
шероховатости рабочих поверхностей образцов для всех проводимых испытаний был
одинаков и составлял 
мкм. Исследования шероховатости 
микрорельефа
трущихся поверхностей проводились для образцов, работавших в течение 3 часов
при нагрузке 150 Н. После испытаний средняя величина отношения 
для смазочного
материала без наполнителя составила 
, при введении УДПАГ оно снизилось
и равнялось 
.
Такие результаты связаны с режимом приработки трущихся поверхностей, когда происходит образование новой шероховатости при сглаживании наиболее выступающих неровностей. Процесс приработки будет происходить до тех пор, пока неровности не приобретут размеры, обеспечивающие увеличение фактической площади контакта. При этом происходит активное повышение температуры. Окончанием режима приработки можно считать состояние, когда значения коэффициента трения и температуры стабилизируются, а полученная шероховатость будет оптимальной.
Образование нового микрорельефа в процессе приработки образцов в среде смазочного материала с УДПАГ можно связать с влиянием частиц введенной добавки. Имея множество кромок вследствие своей поликристаллической структуры, частицы алмаза срезают выступы на поверхности трения, являясь своего рода микрорезцом. Это помогает увеличить интенсивность приработочного износа в начальный момент работы узла трения, чем и можно объяснить быстрый нагрев образца и повышение коэффициента трения в этот период работы.
При этом следует отметить сокращение времени приработки до начала выхода на эксплуатационный режим, что позволяет стабилизировать значения поверхностной температуры и исключить возможное в этот период схватывание трущихся поверхностей. За счет своей высокой поверхностной активности частицы ультрадисперсного порошка сцепляются с трущимися поверхностями, образуя упрочняющее покрытие, которое выдерживает без разрушения значительные нагрузки и предотвращает схватывание трущихся поверхностей [4].
Анализ полученных результатов позволил сделать вывод, что введение ультрадисперсного порошка алмазографита в пластичную смазку повышает её антифрикционные свойства, позволяет снизить рабочую температуру узла трения на 13−15 %, коэффициент трения скольжения на 25−32 % и уменьшить шероховатость трущихся поверхностей в 1,5−2 раза.
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.