1 Введення
Тенденції розвитку сучасного суспільства, ринкова конкуренція ставлять перед виробником дуже складне завдання: зниження вартості експлуатації виробів з урахуванням забезпечення максимальної безпеки. Основним напрямком по поліпшенню якості виробів з урахуванням того, що від 80 до 90% відмов машин, робочого інструменту і механізмів відбувається через зношування вузлів і деталей, стає створення безізносного вузла тертя. Дане завдання вирішується двома шляхами: впровадженням більш досконалих конструкційних рішень і створенням нових мастильних матеріалів.
На сьогоднішній день з урахуванням розвитку хімії та хімічної технології другий шлях видається найбільш перспективним, і необхідно відзначити, що різноманіття мастильних засобів збільшилася в порівнянні з 60 роками XX століття на кілька порядків.
Одним з найважливіших типів мастил є тверді мастильні матеріали: графіт, дисульфід молібдену, нітрид бору, шунгіт, діселенід молібдену. Так, графіт і дисульфід молібдену використовуються або як твердого мастильного матеріалу в чистому вигляді, або у вигляді пластичних мастил, де система загущають милами, або парафіном, або церезином. Однак, незважаючи на перспективність використання в якості антифрикційної добавки до моторних олив, а також мастил інших призначень, вони зустрічаються вкрай рідко і виключно в складах зарубіжних виробників.
Метою нашої роботи було вивчення фізико-хімічних і трибологічних властивостей олій з антифрикційними добавками: графіту і дисульфіду молібдену, з подальшим висновком про можливість їх застосування в різних вузлах тертя.
2 Огляд літератури
2.1 Тертя, зношування та знос
У сучасній механіці під тертям розуміють широке коло явищ, що викликаються взаємодією дотичних поверхонь твердих тіл при відносному переміщенні, а також внутрішнім рухом у твердих, рідких і газоподібних середовищах при їх деформації. Однак основні причини, що викликають тертя, в більшості випадків пов'язані з поверхнею металу [1]. Поверхня будь-якого твердого тіла не буває ідеально рівною, навіть самі гладкі металеві поверхні деталей, що виготовляються із застосуванням особливо тонкого шліфування, або полірування мають нерівності висотою від 0,05 до 0,1 мкм, а найбільш грубі, що виготовляються фрезеруванням від 100 до 200 мкм. Шорсткість і хвилястість поверхонь, зумовлені похибкою при виготовленні деталей, спотворенням їх форми від навантаження або нагрівання, призводять до того, що дві поверхні контактують на окремих малих площах. При відносному переміщенні двох дотичних поверхонь у площині дискретного торкання виникає опір, зване зовнішнім тертям.
Розрізняють такі види тертя:
- За наявності відносного руху - тертя спокою і тертя руху;
- За характером відносного руху - тертя ковзання і тертя кочення;
- За наявності мастильного матеріалу - тертя рідинне, при якому тертьові поверхні повністю розділені шаром мастила; тертя сухе, виникає за відсутності мастила між поверхнями; тертя граничне, при якому тертьові поверхні розділені найтоншим шаром мастила товщиною від 0,1 до 1 мкм і знаходяться під дією молекулярних сил цих поверхонь; тертя змішане, що поєднує умови сухого, граничного і рідинного тертя [2].
Зношування процес відділення матеріалу з поверхні твердого тіла при терті і (або) накопичення залишкової деформації, що виявляється у поступовому зміні розмірів і (або) форми тіла. Встановлено декілька видів зношування: механічне, корозійно-механічне, абразивна, ерозійне, кавітаційний, втомне, зношування при заедании, окисне та електроерозійні зношування.
Знос - це результат зношування, що визначається у встановлених одиницях [3]. До загального знос механізмів свій вносять внесок всі види тертя і зношування [4].
1.2 Механізм антифрикційного дії мастильних матеріалів
Антифрикційне дія - це дія матеріалів, спрямоване на зменшення тертя і зносу.
Механізм дії мастильного матеріалу полягає в розділенні сполучених поверхонь деталей, що переміщаються щодо один одного, шаром мастила, товщина якої достатня для зменшення контакту мікровиступів поверхонь. Залежно від типу поділу поверхонь тертя виділяють наступні види змазування:
- Гідродинамічна змащення - рідинна мастило, при якій повне розділення поверхонь відбувається в результаті тиску виникає в шарі рідини при відносному русі цих поверхонь;
- Гідростатична змащення - рідинна мастило, при якому повне розділення поверхонь, що у відносному русі або спокої, здійснюється рідиною, що надходить в зазор між цими поверхнями під зовнішнім тиском;
- Газодинамічна змащення - газова змазка, при якій повне розділення поверхонь тертя, що знаходяться у відносному русі, визначаються пружними властивостями матеріалів поверхонь тертя і мастильного матеріалу, а також реологічними властивостями останнього в зоні зіткнення поверхонь;
- Гранична мастило - мастило, при якій тертя визначається властивостями тонкого шару компонентів рідинного матеріалу, зумовленими взаємодіями матеріалу поверхонь тертя, мастильного матеріалу і середовища;
- Напіврідинного мастило - мастило, при якій рідкий мастильний матеріал, що передає навантаження, частково поділяє поверхні тертя деталей, що знаходяться у відносному русі.
Незалежно від типу поділу поверхонь, виду мастильного матеріалу механізм антифрикційного дії, представляється як сукупність дії кожного компонента мастильного матеріалу: масла, різноманітних присадок - речовин, що додаються в незначних кількостях у масла для поліпшення або додання нових властивостей.
Мастильне дія мінерального масла з точки зору гідродинамічної і контактно-гідродинамічної теорій мастила пов'язано з його в'язкістю, яка повинна бути досить висока, незначно змінюючись при змінити навантаження і температури. Однак воно не забезпечує ефективного мастильного дії, і вже при невисоких температурах від 20 до 40 о С спостерігається значний стрибкоподібне зростання коефіцієнта тертя, що свідчить про безпосередній металевому контакті тертьових поверхонь [3]. Тому зазвичай мінеральне масло не піддають високого ступеня очищення. В олії залишаються технологічні домішки: смолисті речовини та органічні кислоти. Ці домішки називаються поверхнево-активними присадками, за характером їх взаємодії з поверхнею. Полярні групи цих речовин інтенсивно притягуються активними центрами на поверхні металу. При цьому бічні групи сусідніх молекул також взаємодіють один з одним. На поверхні твердого тіла утворюється молекулярний "ворс". Мономолекулярний шар мастила служить як би продовженням твердого тіла, володіє міцністю і пружністю.
Рис. 1. Мономолекулярний шар ПАР на поверхні твердого тіла.
У реальних умовах звичайно виникають не мономолекулярні, а мультімолекулярние орієнтовані шари, в яких внутрішньомолекулярної тертя набуває особливий характер, що полягає в тому, що тертя відбувається між окремими шарами молекул, а не між окремими молекулами [1,3,4,9,10,17 , 18].
Різними поверхнево-активними присадками можуть бути різні мила жирних і нафтенових кислот, жирні аміни, аміди й інші солі органічних кислот. Введення таких речовин різко знижує коефіцієнт тертя і зрушує руйнування граничних шарів в область більш високих температур від 140 до 270 о С.
У сучасних важко-навантажених вузлах тертя: механізми-ресори, підвіски тракторів і гусеничних машин, відкриті шестерінчастого передачі, різьбові з'єднання та ін - потрібно хімічне модифікування поверхні з допомогою хімічно активних присадок.
Внаслідок фрикційного розігріву і вплив силового поля твердої фази молекули вступають у хімічну взаємодію з металом поверхні тертя, створюючи модифіковані шари, що володіють зниженим опором і тому помітно знижують коефіцієнт тертя. Поділяючи поверхні тертя не тільки шаром ПАР, але і утвореними поверхневим з'єднанням, ці шари запобігають металевий контакт, і тим самим усувають адгезійний знос і заїдання.
При не високих температурах до 200 о C хімічно активні присадки можуть забезпечити зниження тертя і зносу завдяки адсорбційному ефекту, а при температурах перевищують температуру розкладання присадки завдяки освіті хімічно модифікованих шарів.
Всі цими властивостями володіють дисперсні системи нерозчинних у маслі твердих мастильних матеріалів: MoS 2, WS 2, графіту, BN, MoSe 2, де концентрація добавки не перевищує 10%.
1.3 Графіт
Графіт одна з найпоширеніших сухих мастил. Є однією з аллотропних модифікацій вуглецю, що володіє гексагональної кристалічною решіткою, в якій атоми вуглецю пов'язані уздовж ліній шестикутників ковалентними силами, а зв'язок між кристалічними площинами, здійснюється за рахунок слабких Ван-дер-ваальсових взаємодій, енергія яких від 3 до 4 порядків нижче, ніж у ковалентних. Тому зсувна міцність графіту в напрямку, паралельному заповненим атомами вуглецю кристалічним площинах, набагато менше, ніж у напрямках, відповідних розриву ковалентних зв'язків.
Рис. 2. Будова кристалічної решітки графіту.
Ефект мастильного дії графіту визначається тим, що молекули води, що міститься в повітрі, сорбуються в міжплощинні проміжках і ще більше послаблюють межплоскостное зв'язку. Тому мастильні властивості графіту слабко виявляються у вакуумі і при температурі понад 100 º С. При відсутності вологи коефіцієнт тертя поверхонь, розділених графітової прошарком, досягає 0,3, в той час як за наявності сорбированной вологи він складає приблизно 0,05. Ця обставина обмежує використання графіту. Однак графіт добре заповнює технологічні нерівності мікропрофілю поверхні тертя, створюючи гладку дзеркальну поверхню, тому в загальному машинобудуванні знайшов широке застосування для змащення сухих різьбових з'єднань, канатів, підтискні сальникових набивок, як добавка в трансмісійні масла і т.д.
За даними [Г.П.П]: Швидкість відносного ковзання мало впливає на коефіцієнт тертя графіту, в той час як питома навантаження робить на нього істотний вплив. При збільшенні питомого навантаження до 450-500 Н / мм 2 коефіцієнт тертя швидко зменшується (приблизно до 0,03). При подальшому збільшенні навантаження коефіцієнт тертя починає зростати, зношування стає більш інтенсивним. Велике значення має матеріал тертьових деталей. Велике значення має матеріал тертьових деталей, де особливе значення має оксидна плівка, яка чим міцніше, тим краще працює графіт. Наприклад, знос по міді в 18 разів більше, ніж по хрому, що є однією з причин швидкого зношування щіток електродвигунів і генераторів.
1.4 Дисульфід молібдену
MoS 2, як і графіт має, гексагональної будову. Атоми молібдену пов'язані один з одним міцними хімічними зв'язками вздовж сторін правильних шестикутників. Атоми сірки теж хімічними зв'язками з'єднані з атомами молібдену і утворюють розгалужену об'ємну структуру, відокремлюючи сусідні шари атомів молібдену один від одного. Між атомами сірки сусідніх шарів реалізуються слабкі Ван-дер-ваальсові взаємодії, а отже, вздовж кордону розділу прошарків атомів сірки реалізується низький опір зрушенню. Волога в даному разі не має значення, тому дисульфід молібдену використовується для змащення вузлів, що працюють в екстремальних умовах: у високому вакуумі при температурі до 1000 º С. Однак на повітрі починається процес окислення вже при температурі 350 о С.
За даними [Г.П.П] коефіцієнт тертя з збільшення питомого навантаження зменшується, досягаючи 0,02 при 2800 МПа.
1.5 Додаткові функції мастильного матеріалу у вузлі тертя
Крім поділу пов'язаних поверхонь зниження тертя мастило паралельно може володіти додатковими функціями:
- Відведення тепла від пов'язаних поверхонь
Ця функція в повному обсязі можлива тільки рідким мастильним матеріалам, пластичним - тільки з системою циркуляційної мастила. У тому і іншому випадках тепло передається переміщається мастильним матеріалом від більш нагрітих поверхонь тертя до оточуючих холодним стінок, тим самим, зупиняючи деформацію і руйнування.
- Захист поверхні металу від атмосферної корозії
Функція характерна для мастильного матеріалу з тривалим терміном роботи і зберігання. Наприклад, антифрикційні мастила, моторні масла, індустріальні масла з присадками АКОР для межоперационной захисту на металообробних підприємствах.
Іноді покладають на мастила функцію захисту вузла тертя від попадання пилу і води з навколишнього середовища. Доцільність пред'явлення до змащенням таких вимог є досить сумнівною. В силу своїх фізико-хімічних властивостей, мастило здатна накопичувати в собі частинки пилу (іноді й вологу), викликаючи прискорений знос деталей, тому проблему захисту від попадання в вузол тертя речовин із зовнішнього середовища ведуть конструкційним шляхом.
2.1 Випробування мастильних матеріалів
Вирішуючи практичну задачу вибору вихідних компонентів при створенні нової мастила необхідно: вивчити дані фізико-хімічних властивостей по вже випускається мастильних матеріалів, а потім на основі порівняльного підходу провести експерименти з вивчення властивостей розроблюваного матеріалу. При цьому потрібно враховувати, що результати оцінки фізико-хімічних властивостей, порівнюваних мастил, виходять, як правило, суперечливими.
Лабораторні методи випробувань мастильних поділяють:
1) Прямі (на спеціальних маслоіспитательних машинах і приладах в умові тертя твердих тіл);
2) Непрямі (мастильні дії оцінюється різними фізико-хімічними параметрами без відтворення тертя між мастильними поверхнями).
Прямі триботехнические випробування мастильних матеріалів включають оцінку протизносних, протизадирних і антифрикційних властивостей на лабораторних приладах або установках з випробувальними зразками геометричної форми (площини, циліндри, сфери), на що імітують машинах або спеціально виготовлених аналогічним деталях (зубчасті колеса, деталі поршневої групи двигуна внутрішнього згоряння, підшипники ковзання або кочення) і безпосередньо в реальних вузлах машин і механізмів в умовах експлуатації.
При випробуванні на машинах в умовах експлуатації на одержувані результати, крім основних параметрів (відносної швидкості руху тертьових поверхонь, тиску, температури) впливають умови роботи машини (наявність частих зупинок і пусків, змінність навантаження і швидкості, наявність вологи та інших корозійних агентів, а також абразивних частинок в навколишньому середовищі та ін.) У цих умовах важко виділити найбільш важливий параметр, який надає визначальний вплив на поведінку мастильного матеріалу. Для зменшення цих впливів випробування повинні бути тривалими і проводитися на кількох однотипних машинах, на що потрібно багато часу і коштів. Тому в більшості випадків експлуатаційні випробування застосовують для остаточної перевірки оптимальних мастильних матеріалів, відібраних в результаті серії лабораторних та стендових випробувань.
Стендові випробування на імітують машинах дозволяють визначати трибологические характеристики мастильних матеріалів в умовах тертя реальних деталей машин і механізмів при контролі всіх впливають параметрів. Проте випробування на імітують машинах тривалі й дорогі і застосовують в основному для визначення протизадирних і протизносних властивостей мастил для зубчастих коліс, комплексного випробування моторних масел на одно-і багатоциліндрових установках, стендах для випробування підшипників.
На відміну від випробувань мастильних матеріалів в умовах експлуатації та на стендах лабораторні випробування не вимагають великих витрат часу, вони більшою мірою дозволяють змінювати основний параметр, який впливає на трибологические характеристики мастильних матеріалів. Умови випробування відрізняються від дійсних у реальних машинах, проте переваги лабораторних випробувань сприяють їх широкому застосуванню, особливо для розробки нових присадок і мастильних композицій.
Найпоширенішими машинами є прилад «обертається ролик - частковий вкладиш», машина Олмен - Віланд, машина Фалекс, машина Шкода - Савіна, машина SAE, чотирьох кулькові машини тертя. Тенденції розвитку сучасного суспільства, ринкова конкуренція ставлять перед виробником дуже складне завдання: зниження вартості експлуатації виробів з урахуванням забезпечення максимальної безпеки. Основним напрямком по поліпшенню якості виробів з урахуванням того, що від 80 до 90% відмов машин, робочого інструменту і механізмів відбувається через зношування вузлів і деталей, стає створення безізносного вузла тертя. Дане завдання вирішується двома шляхами: впровадженням більш досконалих конструкційних рішень і створенням нових мастильних матеріалів.
На сьогоднішній день з урахуванням розвитку хімії та хімічної технології другий шлях видається найбільш перспективним, і необхідно відзначити, що різноманіття мастильних засобів збільшилася в порівнянні з 60 роками XX століття на кілька порядків.
Одним з найважливіших типів мастил є тверді мастильні матеріали: графіт, дисульфід молібдену, нітрид бору, шунгіт, діселенід молібдену. Так, графіт і дисульфід молібдену використовуються або як твердого мастильного матеріалу в чистому вигляді, або у вигляді пластичних мастил, де система загущають милами, або парафіном, або церезином. Однак, незважаючи на перспективність використання в якості антифрикційної добавки до моторних олив, а також мастил інших призначень, вони зустрічаються вкрай рідко і виключно в складах зарубіжних виробників.
Метою нашої роботи було вивчення фізико-хімічних і трибологічних властивостей олій з антифрикційними добавками: графіту і дисульфіду молібдену, з подальшим висновком про можливість їх застосування в різних вузлах тертя.
2 Огляд літератури
2.1 Тертя, зношування та знос
У сучасній механіці під тертям розуміють широке коло явищ, що викликаються взаємодією дотичних поверхонь твердих тіл при відносному переміщенні, а також внутрішнім рухом у твердих, рідких і газоподібних середовищах при їх деформації. Однак основні причини, що викликають тертя, в більшості випадків пов'язані з поверхнею металу [1]. Поверхня будь-якого твердого тіла не буває ідеально рівною, навіть самі гладкі металеві поверхні деталей, що виготовляються із застосуванням особливо тонкого шліфування, або полірування мають нерівності висотою від 0,05 до 0,1 мкм, а найбільш грубі, що виготовляються фрезеруванням від 100 до 200 мкм. Шорсткість і хвилястість поверхонь, зумовлені похибкою при виготовленні деталей, спотворенням їх форми від навантаження або нагрівання, призводять до того, що дві поверхні контактують на окремих малих площах. При відносному переміщенні двох дотичних поверхонь у площині дискретного торкання виникає опір, зване зовнішнім тертям.
Розрізняють такі види тертя:
- За наявності відносного руху - тертя спокою і тертя руху;
- За характером відносного руху - тертя ковзання і тертя кочення;
- За наявності мастильного матеріалу - тертя рідинне, при якому тертьові поверхні повністю розділені шаром мастила; тертя сухе, виникає за відсутності мастила між поверхнями; тертя граничне, при якому тертьові поверхні розділені найтоншим шаром мастила товщиною від 0,1 до 1 мкм і знаходяться під дією молекулярних сил цих поверхонь; тертя змішане, що поєднує умови сухого, граничного і рідинного тертя [2].
Зношування процес відділення матеріалу з поверхні твердого тіла при терті і (або) накопичення залишкової деформації, що виявляється у поступовому зміні розмірів і (або) форми тіла. Встановлено декілька видів зношування: механічне, корозійно-механічне, абразивна, ерозійне, кавітаційний, втомне, зношування при заедании, окисне та електроерозійні зношування.
Знос - це результат зношування, що визначається у встановлених одиницях [3]. До загального знос механізмів свій вносять внесок всі види тертя і зношування [4].
1.2 Механізм антифрикційного дії мастильних матеріалів
Антифрикційне дія - це дія матеріалів, спрямоване на зменшення тертя і зносу.
Механізм дії мастильного матеріалу полягає в розділенні сполучених поверхонь деталей, що переміщаються щодо один одного, шаром мастила, товщина якої достатня для зменшення контакту мікровиступів поверхонь. Залежно від типу поділу поверхонь тертя виділяють наступні види змазування:
- Гідродинамічна змащення - рідинна мастило, при якій повне розділення поверхонь відбувається в результаті тиску виникає в шарі рідини при відносному русі цих поверхонь;
- Гідростатична змащення - рідинна мастило, при якому повне розділення поверхонь, що у відносному русі або спокої, здійснюється рідиною, що надходить в зазор між цими поверхнями під зовнішнім тиском;
- Газодинамічна змащення - газова змазка, при якій повне розділення поверхонь тертя, що знаходяться у відносному русі, визначаються пружними властивостями матеріалів поверхонь тертя і мастильного матеріалу, а також реологічними властивостями останнього в зоні зіткнення поверхонь;
- Гранична мастило - мастило, при якій тертя визначається властивостями тонкого шару компонентів рідинного матеріалу, зумовленими взаємодіями матеріалу поверхонь тертя, мастильного матеріалу і середовища;
- Напіврідинного мастило - мастило, при якій рідкий мастильний матеріал, що передає навантаження, частково поділяє поверхні тертя деталей, що знаходяться у відносному русі.
Незалежно від типу поділу поверхонь, виду мастильного матеріалу механізм антифрикційного дії, представляється як сукупність дії кожного компонента мастильного матеріалу: масла, різноманітних присадок - речовин, що додаються в незначних кількостях у масла для поліпшення або додання нових властивостей.
Мастильне дія мінерального масла з точки зору гідродинамічної і контактно-гідродинамічної теорій мастила пов'язано з його в'язкістю, яка повинна бути досить висока, незначно змінюючись при змінити навантаження і температури. Однак воно не забезпечує ефективного мастильного дії, і вже при невисоких температурах від 20 до 40 о С спостерігається значний стрибкоподібне зростання коефіцієнта тертя, що свідчить про безпосередній металевому контакті тертьових поверхонь [3]. Тому зазвичай мінеральне масло не піддають високого ступеня очищення. В олії залишаються технологічні домішки: смолисті речовини та органічні кислоти. Ці домішки називаються поверхнево-активними присадками, за характером їх взаємодії з поверхнею. Полярні групи цих речовин інтенсивно притягуються активними центрами на поверхні металу. При цьому бічні групи сусідніх молекул також взаємодіють один з одним. На поверхні твердого тіла утворюється молекулярний "ворс". Мономолекулярний шар мастила служить як би продовженням твердого тіла, володіє міцністю і пружністю.
Рис. 1. Мономолекулярний шар ПАР на поверхні твердого тіла.
У реальних умовах звичайно виникають не мономолекулярні, а мультімолекулярние орієнтовані шари, в яких внутрішньомолекулярної тертя набуває особливий характер, що полягає в тому, що тертя відбувається між окремими шарами молекул, а не між окремими молекулами [1,3,4,9,10,17 , 18].
Різними поверхнево-активними присадками можуть бути різні мила жирних і нафтенових кислот, жирні аміни, аміди й інші солі органічних кислот. Введення таких речовин різко знижує коефіцієнт тертя і зрушує руйнування граничних шарів в область більш високих температур від 140 до 270 о С.
У сучасних важко-навантажених вузлах тертя: механізми-ресори, підвіски тракторів і гусеничних машин, відкриті шестерінчастого передачі, різьбові з'єднання та ін - потрібно хімічне модифікування поверхні з допомогою хімічно активних присадок.
Внаслідок фрикційного розігріву і вплив силового поля твердої фази молекули вступають у хімічну взаємодію з металом поверхні тертя, створюючи модифіковані шари, що володіють зниженим опором і тому помітно знижують коефіцієнт тертя. Поділяючи поверхні тертя не тільки шаром ПАР, але і утвореними поверхневим з'єднанням, ці шари запобігають металевий контакт, і тим самим усувають адгезійний знос і заїдання.
При не високих температурах до 200 о C хімічно активні присадки можуть забезпечити зниження тертя і зносу завдяки адсорбційному ефекту, а при температурах перевищують температуру розкладання присадки завдяки освіті хімічно модифікованих шарів.
Всі цими властивостями володіють дисперсні системи нерозчинних у маслі твердих мастильних матеріалів: MoS 2, WS 2, графіту, BN, MoSe 2, де концентрація добавки не перевищує 10%.
1.3 Графіт
Графіт одна з найпоширеніших сухих мастил. Є однією з аллотропних модифікацій вуглецю, що володіє гексагональної кристалічною решіткою, в якій атоми вуглецю пов'язані уздовж ліній шестикутників ковалентними силами, а зв'язок між кристалічними площинами, здійснюється за рахунок слабких Ван-дер-ваальсових взаємодій, енергія яких від 3 до 4 порядків нижче, ніж у ковалентних. Тому зсувна міцність графіту в напрямку, паралельному заповненим атомами вуглецю кристалічним площинах, набагато менше, ніж у напрямках, відповідних розриву ковалентних зв'язків.
Рис. 2. Будова кристалічної решітки графіту.
Ефект мастильного дії графіту визначається тим, що молекули води, що міститься в повітрі, сорбуються в міжплощинні проміжках і ще більше послаблюють межплоскостное зв'язку. Тому мастильні властивості графіту слабко виявляються у вакуумі і при температурі понад 100 º С. При відсутності вологи коефіцієнт тертя поверхонь, розділених графітової прошарком, досягає 0,3, в той час як за наявності сорбированной вологи він складає приблизно 0,05. Ця обставина обмежує використання графіту. Однак графіт добре заповнює технологічні нерівності мікропрофілю поверхні тертя, створюючи гладку дзеркальну поверхню, тому в загальному машинобудуванні знайшов широке застосування для змащення сухих різьбових з'єднань, канатів, підтискні сальникових набивок, як добавка в трансмісійні масла і т.д.
За даними [Г.П.П]: Швидкість відносного ковзання мало впливає на коефіцієнт тертя графіту, в той час як питома навантаження робить на нього істотний вплив. При збільшенні питомого навантаження до 450-500 Н / мм 2 коефіцієнт тертя швидко зменшується (приблизно до 0,03). При подальшому збільшенні навантаження коефіцієнт тертя починає зростати, зношування стає більш інтенсивним. Велике значення має матеріал тертьових деталей. Велике значення має матеріал тертьових деталей, де особливе значення має оксидна плівка, яка чим міцніше, тим краще працює графіт. Наприклад, знос по міді в 18 разів більше, ніж по хрому, що є однією з причин швидкого зношування щіток електродвигунів і генераторів.
1.4 Дисульфід молібдену
MoS 2, як і графіт має, гексагональної будову. Атоми молібдену пов'язані один з одним міцними хімічними зв'язками вздовж сторін правильних шестикутників. Атоми сірки теж хімічними зв'язками з'єднані з атомами молібдену і утворюють розгалужену об'ємну структуру, відокремлюючи сусідні шари атомів молібдену один від одного. Між атомами сірки сусідніх шарів реалізуються слабкі Ван-дер-ваальсові взаємодії, а отже, вздовж кордону розділу прошарків атомів сірки реалізується низький опір зрушенню. Волога в даному разі не має значення, тому дисульфід молібдену використовується для змащення вузлів, що працюють в екстремальних умовах: у високому вакуумі при температурі до 1000 º С. Однак на повітрі починається процес окислення вже при температурі 350 о С.
За даними [Г.П.П] коефіцієнт тертя з збільшення питомого навантаження зменшується, досягаючи 0,02 при 2800 МПа.
1.5 Додаткові функції мастильного матеріалу у вузлі тертя
Крім поділу пов'язаних поверхонь зниження тертя мастило паралельно може володіти додатковими функціями:
- Відведення тепла від пов'язаних поверхонь
Ця функція в повному обсязі можлива тільки рідким мастильним матеріалам, пластичним - тільки з системою циркуляційної мастила. У тому і іншому випадках тепло передається переміщається мастильним матеріалом від більш нагрітих поверхонь тертя до оточуючих холодним стінок, тим самим, зупиняючи деформацію і руйнування.
- Захист поверхні металу від атмосферної корозії
Функція характерна для мастильного матеріалу з тривалим терміном роботи і зберігання. Наприклад, антифрикційні мастила, моторні масла, індустріальні масла з присадками АКОР для межоперационной захисту на металообробних підприємствах.
Іноді покладають на мастила функцію захисту вузла тертя від попадання пилу і води з навколишнього середовища. Доцільність пред'явлення до змащенням таких вимог є досить сумнівною. В силу своїх фізико-хімічних властивостей, мастило здатна накопичувати в собі частинки пилу (іноді й вологу), викликаючи прискорений знос деталей, тому проблему захисту від попадання в вузол тертя речовин із зовнішнього середовища ведуть конструкційним шляхом.
2.1 Випробування мастильних матеріалів
Вирішуючи практичну задачу вибору вихідних компонентів при створенні нової мастила необхідно: вивчити дані фізико-хімічних властивостей по вже випускається мастильних матеріалів, а потім на основі порівняльного підходу провести експерименти з вивчення властивостей розроблюваного матеріалу. При цьому потрібно враховувати, що результати оцінки фізико-хімічних властивостей, порівнюваних мастил, виходять, як правило, суперечливими.
Лабораторні методи випробувань мастильних поділяють:
1) Прямі (на спеціальних маслоіспитательних машинах і приладах в умові тертя твердих тіл);
2) Непрямі (мастильні дії оцінюється різними фізико-хімічними параметрами без відтворення тертя між мастильними поверхнями).
Прямі триботехнические випробування мастильних матеріалів включають оцінку протизносних, протизадирних і антифрикційних властивостей на лабораторних приладах або установках з випробувальними зразками геометричної форми (площини, циліндри, сфери), на що імітують машинах або спеціально виготовлених аналогічним деталях (зубчасті колеса, деталі поршневої групи двигуна внутрішнього згоряння, підшипники ковзання або кочення) і безпосередньо в реальних вузлах машин і механізмів в умовах експлуатації.
При випробуванні на машинах в умовах експлуатації на одержувані результати, крім основних параметрів (відносної швидкості руху тертьових поверхонь, тиску, температури) впливають умови роботи машини (наявність частих зупинок і пусків, змінність навантаження і швидкості, наявність вологи та інших корозійних агентів, а також абразивних частинок в навколишньому середовищі та ін.) У цих умовах важко виділити найбільш важливий параметр, який надає визначальний вплив на поведінку мастильного матеріалу. Для зменшення цих впливів випробування повинні бути тривалими і проводитися на кількох однотипних машинах, на що потрібно багато часу і коштів. Тому в більшості випадків експлуатаційні випробування застосовують для остаточної перевірки оптимальних мастильних матеріалів, відібраних в результаті серії лабораторних та стендових випробувань.
Стендові випробування на імітують машинах дозволяють визначати трибологические характеристики мастильних матеріалів в умовах тертя реальних деталей машин і механізмів при контролі всіх впливають параметрів. Проте випробування на імітують машинах тривалі й дорогі і застосовують в основному для визначення протизадирних і протизносних властивостей мастил для зубчастих коліс, комплексного випробування моторних масел на одно-і багатоциліндрових установках, стендах для випробування підшипників.
На відміну від випробувань мастильних матеріалів в умовах експлуатації та на стендах лабораторні випробування не вимагають великих витрат часу, вони більшою мірою дозволяють змінювати основний параметр, який впливає на трибологические характеристики мастильних матеріалів. Умови випробування відрізняються від дійсних у реальних машинах, проте переваги лабораторних випробувань сприяють їх широкому застосуванню, особливо для розробки нових присадок і мастильних композицій.
Непрямими методами є вивчення фізико-хімічних властивостей систем: визначення крайового кута змочування, поверхневого натягу, колоїдної стабільності систем, контактної різниці потенціалів, електродного потенціалу, вимірювання теплоти адсорбції [3,6].
Експериментальна частина
Обладнання і реактиви
При дослідженні фізико-хімічних і трибологічних властивостей мінеральних масел з антифрикційними добавками використовували такі реактиви та обладнання:
1 Графіт
2 Дисульфід молібдену
3 Масло І-20А
4 Додецилсульфат натрію
5 Торсіонні ваги з чашкою
6 Склянка хімічний об'ємом 1, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05 дм 3
7 Мішалка з нагрівальним елементом
8 Секундомір
9 Лінійка
10 Ареометри
11 Ваги технічні
12 Ваги аналітичні
13 бюретка
14 Термометр
15 Воронка
16 Циліндр мірний об'ємом
17 Штатив
18 Муфельна піч
19 Тигель фарфоровий
20 двокоординатна машина тертя
21 Ультразвукова ванна Sindy Eltrosonic Ultracleaner
22 Спирт
23 Машина тертя SRV - III Test System
24 Кріостат HAAKE Phoenix II P1 С75Р
25 Персональний комп'ютер
26 Дистильована вода
27 Зразки для випробування зі сталі 40Х13
28 Тримач-ножиці
2.2 Дослідження фізико-хімічних властивостей олій з антифрикційними добавками на основі графіту і дисульфіду молібдену
2.2.1 Визначення дисперсності графіту і дисульфіду молібдену
Дисперсність системи, величина зворотна розміром частинок, одна з найважливіших фізико-хімічних величин, що робить вплив на декілька параметрів в системі: колоїдну стабільність, адсорбцію твердих частинок.
Колоїдна стабільність - величина, що показує властивість не виділяти рідке масло (основи) протягом тривалого часу. Розшарування мастильного матеріалу сприяє когезії часток твердої фази, при цьому значно знижуються первинні властивості і мастило стає не придатною до використання. Колоїдна стабільність характерна тільки для мастильних матеріалів з нерозчинними в олії антифрикційними добавками.
Швидкість адсорбції прямопропорційна питомої площі частинок, отже чим вище Дисперсність частинок, тим освіта міцної модифікуючої плівки відбувається швидше, а значить процеси зносу і зношування будуть відбувається повільніше.
Для визначення дисперсності та швидкості осідання частинок ми використовували метод седиментаційного аналізу. Метод дозволяє визначити розподіл частинок за розмірами і відповідно підрахувати їхню питому поверхню. Седиментаційних метод аналізу дисперсності в гравітаційному полі застосуємо для аналізу мікрогетерогенних в інтервалі від 1 до 100 мкм, якому відповідають суспензії, емульсії, порошки.
Принцип седиментаційного методу аналізу дисперсності полягає у вимірюванні швидкості осідання частинок, звичайно в рідкому середовищі. Для цього за допомогою засобів вимірювання спочатку вимірюють залежність маси осілого осаду від часу, будують графік цієї залежності, званій кривій седиментації, по якому потім визначають всі необхідні характеристики дисперсної систем [10,12,15,16,17].
При аналізі результатів вимірювань: побудованих кривих розподілу, визначають час осадження частинок окремих фракцій полідисперсних систем, за рівняннями розраховують швидкості їх осадження та відповідні їм розміри частинок.
де r - радіус частинок, H - висота стовпа рідини, h - в'язкість системи,
g - прискорення вільного падіння, t - час, r - щільність твердої фази,
r о - густина рідкої фази.
Розмір частки дисперсної фази звичайно характеризують радіусом частки, рідше обсягом або площею її поверхні. Радіус однозначно визначається тільки, для частинок сферичної форми. Для частинок неправильної форми - умовна величина і його значення залежить від експериментальної форми.
За результатами проведених експериментів були побудовані криві седиментації (Див. мал х-у в додатку), визначено відсоткове співвідношення окремих фракцій, побудовані диференціальні криві розподілу (рис. х, y у додатку).
Аналізуючи криві розподілу можна наближено говорити про переважання частинок однієї із фракцій у системі, розміри частинок і швидкості осідання якої наведено в таблиці 1.
Таблиця 1. Результати седиментаційного аналізу суспензій.
| Добавка | Розчинник | Радіус, м | Швидкість осідання, м / c |
| Графіт | Вода | 11,11 х10 -6 | 3,36 х10 -5 |
| Графіт | Масло | 24,13 х10 -6 | 5,09 х10 -6 |
| Дисульфід молібдену | Вода | 2,06 х10 -6 | 3,38 х10 -6 |
| Дисульфід молібдену | Масло | 8,76 х10 -6 | 2,02 х10 -6 |
Отже, колоїдна система масло - дисульфід молібдену більш стійка, ніж суспензія масло - графіт. Дисульфід молібдену завдяки меншому радіусу частинок буде краще адсорбуватися, взаємодіяти з поверхнею.
2.2.2 Визначення поверхневого натягу
Поверхневий натяг це величина, яку можна представити або силою, що діє на одиницю довжини кордону розділу фаз і зумовлює скорочення поверхні рідини, або роботою, яку здійснюють при утворенні нової поверхні. Зв'язок поверхневого натягу з адсорбцією доведені через рівняння стану, в яких чим нижче поверхнева енергія, тим вище адсорбційну взаємодія, що позитивно впливає при модифікації поверхні антифрикційними добавками. Відповідно, чим нижче поверхневий натяг на межі розділу фаз, тим вище адгезія. При всіх плюсах низьких значення поверхневого натягу виявляється істотний недолік, а саме високі значення розтікання мастильного матеріалу, що призводить до великої витрати мастильного матеріалу. Для вирішення даної проблеми можливе використання додаткового мастильного матеріалу, бар'єрної мастила, яка володіє великими значеннями поверхневого натягу і створює енергетичний бар'єр на шляху міграції олії, наприклад на торцях підшипників. Проте потрібно стежити, щоб бар'єрна мастило не потрапляла у вузол тертя у уникнення заклинювання, освіти задирів і пошкодження цілісності бар'єра, що перешкоджає розтіканню мастила.
Поверхневий натяг визначають різними способами, в даній роботі використовується відносний варіант методу, коли одна з рідин (дистильована вода), поверхневий натяг якої при даній температурі точно відомо, вибирається в якості стандартної. Розрахунок поверхневого натягу досліджуваної рідини виробляють за формулою:
де σ o, ρ o, n o - поверхневий натяг, густина, число крапель для дистильованої води; σ, ρ, n - відповідні величини для досліджуваного розчину.
Сталагмометр представляє собою або скляну трубку з розширенням посередині і капіляром в нижній частині; розширена частина обмежена двома мітками, або бюретку. За результатами експерименту будують залежності поверхневого натягу від концентрації добавки і температури [10, 12,15,16,18].
Рис. 5. Криві залежності поверхневого натягу від температури суспензії графіту в маслі.
Рис. 6. Криві залежності поверхневого натягу від температури суспензії дисульфіду молібдену в маслі.
Виходячи із графіків видно, що виконується залежність зниження поверхневого натягу зі збільшенням температури, як для графіту, так і для дисульфіду молібдену. Виконується залежність зниження поверхневого натягу зі збільшенням концентрації добавки для графіту, проте для дисульфіду молібдену це закон не виконується. Це можна пояснити підвищенням густини суспензії із збільшенням концентрації добавки, це спостерігається у обох матеріалів, проте у дисульфіду молібдену це більш виражено.
2.2.3 Оцінка термічної стабільності
Термічна стабільність - здатність речовин, протистояти змінам при тепловій дії.
У робочих умовах мастильні матеріали піддаються впливу кисню повітря при підвищених температурах і каталітичному вплив матеріалу змащуваних частин механізмів. У цих умовах все вуглеводневі компоненти олії, смолисті речовини, а також антифрикційні добавки, за винятком графіту, в тій чи іншій мірі можуть вступати в реакції окислення, а за відсутності кисню деструкції, рекомбінації, полімеризації. Найбільш швидко і глибоко протікають всілякі процеси на сильно нагрітих від 200 до 300 о С деталях поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння і повітряних компресорів, при цьому за рахунок тертя і нерівномірності нагрівання температура в окремих ділянках поверхонь може доходити до температури понад 300 о С.
З розглянутого механізму видно, що на поверхні тертя буде утворюватися шар графіту або дисульфіду молібдену, які будуть в першу чергу піддаватися дії високих температур. При цьому за даними [Г, П, П] у високотемпературних вузлах графіт буде стійкий при температуже нижче 1100 о С, а дисульфід молібдену почне окислюватися при температурі 350 о С. Тому було необхідно хоча б якісно проаналізувати термоокислювальну стабільність MоS 2.
Термоокислювальну стабільність визначають різними методами: у апараті Папок (ГОСТ 23175-78), метод ОТІ (ГОСТ 981-75). Однак у зв'язку з особливостями системи, де основну теплове навантаження приймає антифрикционная добавка вирішено відмовитися від стандартних методів вивчення характеристики та застосувати методику прожарювання присадок.
Анализируемую пробу прожарюють при заданій температурі на залізних або мідних платівках (при високих температурах і кількісної оцінці в тиглі). При якісній оцінці дивляться зміни фізичних властивостей речовин з плином часу, при кількісному за допомогою методів кількісного хімічного аналізу визначають кількість речовини вступив у реакцію.
У зв'язку з неможливістю при окисленні повного поглинання сірчистого газу і утворення оксидів дисульфіду молібдену в нестехіометричному співвідношенні було прийнято рішення відмовити від кількісної оцінки термоокислювальне стабільності.
Для якісної оцінки ми використовували навішування не більше 0,1 г дисульфіду молібдену рівномірно розподілені товщиною до 0,1 мм тиглю. У ході роботи встановлено, що 3 з 4 проб протягом години піддаються повному окисленню при температурі в 350 о С, при цьому не повне окислення 4 проби лише свідчить про нерівномірність прогріву в муфельній печі.
2.3 Дослідження трибологічних властивостей систем масло-графіт і масло-дисульфід молібдену
Трибологические випробування проводили в два етапи: попередні, проведені на двокоординатної машині тертя, і заключні з моделюванням процесів, що відбуваються у вузлах механізмів на багатофункціональне машині тертя SRV.
2.3.1 Випробування мастил на двокоординатної машині тертя
Для попередніх трибологічних випробувань була обрана двокоординатна машина тертя, розроблена і запатентована провідними науковими співробітниками Інституту прикладної механіки УрВ РАН: Тарасовим В.В., Чуркіним А.В., Черепановим І.С. [22], яка дозволяє проводити широке коло трибологічних і корозійних випробувань на плоских поверхнях матеріалів.
Сутність роботи машини полягає в тому, що індентор сферичної або іншої форми, що знаходиться під дію нормального навантаження переміщають відносно поверхні досліджуваного зразка по траєкторії (див. рис. Х),
Рис. х. Схема точкового контакту двокоординатної машини тертя
вибирається з апріорної інформації (при її відсутності перевагу віддають кругової траєкторії). У процесі переміщення вимірюють компоненти повного вектора, за яким судять про головне векторі тангенціальних сил, який при зворотно-поступальному русі індентора за зразком визначається як відношення виникає сили тертя до сили навантаження, і розетці анізотропії поверхневих фізико-механічних або фрикційних властивостях. Анізотропія тертя - залежність сили тертя від напрямку взаємного переміщення двох або більше тіл [24]. При це вона надзвичайно важлива в дослідженні модифікаторів тертя, які перетворять поверхню до наближено ізотропної.
Ріс.х. Анізотропія тертя
Випробування проводили у двох режимах: протягом 10 секунд при русі вздовж напрямку обробки зразка з ходом 10 мм і при русі по круговій траєкторії протягом 50 секунд з радіусом окружності 5 мм.
Випробування проведені при середньому навантаженні 400 грам, кімнатній температурі, зафіксованому індентора. Мастильний матеріал наносили на досліджувану поверхню об'ємом від 0,5 до 1,0 мл. Перед проведенням кожного експерименту робочі зразки очищали спиртом у спеціальній надзвуковий ванні, потім сушили потоком повітря. Розрахунки провели на обчислювальній машині моделі AMD Atlon ™ 64 processor 3000 + 1800 МГц, 1,50 Гб ОЗУ. За результатами розрахунків побудували анізотропії тертя (Мал. в додатку х-х) і графіки залежності коефіцієнта тертя від концентрації добавки.
Рис.9. Криві залежності коефіцієнта тертя від концентрації добавки
1 - графіт, 2 - дисульфід молібдену
Рис.9. Крива залежності мінімальних значень коефіцієнта тертя
від умов проведення експерименту
1 - Сухе тертя, 2 - І-20А, 3 - І-20А +2,5% MoS 2, 4 - І-20А +5,0% MoS 2,
5 - І-20А +7,5% MoS 2, 6 - І-20А +10,0% MoS 2.
Рис.10. Крива залежності максимальних значень коефіцієнта тертя
від умов проведення експерименту
1 - Сухе тертя, 2 - І-20А, 3 - І-20А +2,5% MoS 2, 4 - І-20А +5,0% MoS 2,
5 - І-20А +7,5% MoS 2, 6 - І-20А +10,0% MoS 2.
3.2.2 Випробування мастил на багатофункціональної машині тертя SRV - III Test System
Машина моделі SRV призначена для оцінки антифрикційних властивостей матеріалів, гальванічних покриттів з можливістю використання різноманітних схем випробувань для моделювання різних видів тертя.
У зв'язку зі здатністю дисульфіду молібдену і графіту витримувати високі навантаження було вирішено: використовувати коливальний модуль, де максимальне навантаження в 2000 N збільшується в області точкового контакту в мільйони разів.
Вузол тертя складається з нерухомо закріпленого випробувального диска та обертового сталевої кульки діаметром 10 мм, який контактує з поверхнею диска, при цьому відбувається точковий контакт (Див. Рис. 1).
Рис. 1. Схема точкового контакту
Сталева кулька і зразок зафіксований в певному положенні за допомогою спеціальних утримувачів: верхнього й нижнього. За допомогою верхнього власника зразком передається задана навантаження і здійснюється переміщення кульки за допомогою стрижня передачі (див. мал. 2).
Рис. 2. Схема верхнього утримувача
Нижній утримувач, який відповідає за фіксацію досліджуваного диска, складається з двох призм (Див. мал. 3) - одна для центральної і інша для ацентріческой збірки (Див. мал. 4).
Рис. 3. Схема нижнього утримувача
Рис. 4. Схеми застосовуваних моделей роботи на машині тертя
Оцінним показником є значення коефіцієнта тертя, дані амплітуди коливань, що виводяться на обчислювальну машину. Сигнал, що стосується виміряного коефіцієнта тертя, що надходить з датчика, безперервно підраховувався за формулою:
R TP = F R / F n ,
де F R - Випробувальна сила; F n - випробувальна навантаження.
Мастильний матеріал, попередньо перемішавши за допомогою ультразвукової ванни, наносили на досліджувану поверхню об'ємом від 0,3 до 0,6 мл. Перед проведенням кожного експерименту робочі зразки очищали спиртом у спеціальній надзвуковий ванні, потім сушили потоком повітря. Остаточні розрахунки виробляли на обчислювальній машині моделі AMD Atlon ™ 64 processor 3000 + 1800 МГц, 1,50 Гб ОЗУ.
Робота відбувалася у два етапи: вибір робочих режимів і вивчення трибологічних приготованих складів. На першому етапі було завдання розглянути поведінку вузла при максимально можливих змінах навантаження, частоти коливань, температури з урахуванням можливостей машини тертя і меж роботи масла І-20А. Попередньо були складені три режими роботи, в яких змінювався один головний параметр, решта залишалися постійними, переміщення зразків було проти напрямку обробки:
1) Зміна навантаження в інтервалі від 5 до 200 Н при постійній амплітуді коливань 100 мкм, при частоті коливань 50 Гц, температурі 50 о С.
2) Зміна частоти коливань від 5 до 500 Гц при постійній амплітуді коливань 100 мкм, навантаженні 50 Н, температурі 50 о С.
3) Зміна температури від 50 до 290 о С при постійній амплітуді коливань 100 мкм, навантаженні 50 Н, частоті коливань 50 Гц.
Зміна головного параметра задавалося в комп'ютерній програмі через градієнт відповідної величини і вироблялося за схемою (рис. Х)
Рис. Х. Схема зміни головного параметра протягом часу.
Схема зміни була обрана так, що максимально наблизити систему підробітки на машинобудівних підприємствах, при цьому випробування зі збільшенням навантаження і температури це маловивчена область у цьому напрямку.
При випробуванні в режимі зміни навантаження (рис. Х) видно, що час підробітки зразків займає тривалий час, а амплітуда коливань не витримується. Так, при пікових навантаженнях амплітуда перевищує задану в програмі до 9 разів, що пов'язано з нездатністю чистого масла І-20А протистояти високим навантаженням. Однак стабілізація коефіцієнта тертя в завершальних етапах дозволила говорити про можливість застосування такого режиму.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни навантаження
При випробуванні в режимі зміну частоти (рис. Х) при виході на частоту понад 235 Гц відбувається зниження амплітуди, де при 500 Гц частота ставати рівною 0, що свідчить про утворення схоплювання і нездатності масла І-20А витримати такі частоти. Тому було прийнято рішення знизити верхню межу частоти до 227 Гц з урахуванням постійного градієнта зміни.
Випробування в режимі зміни температури планувалося провести в діапазоні температур від +50 до +290 о С, однак фактично вдалося досягти не більше 190 о С (Мал. Х), що пов'язано з особливостями нагрівального модуля машини тертя.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни температури
Як з'ясувалося в наступному експерименті, максимальний температурний градієнт становить 20 градусів за хвилину, тоді як при такому діапазоні температур необхідно 40 градусів. При цьому в камері спостерігалося значне випаровування масла, що у подальшому було б причиною заїдання у вузлі тертя. Тому вирішено понизити верхній поріг температури до 150 о С.
У результаті оцінки фізико-хімічних і трибологічних властивостей масла І-20А з антифрикційними добавками було прийнято рішення приготувати мастильні склади: І-20А +5% графіту, І-20А +7,5% графіту,
І-20А +5% графіту +10% ПАР, І-20А +7,5% графіту +10% ПАР, І-20А +5% дисульфіду молібдену, І-20А +7,5% дисульфіду молібдену, І-20А + 5% дисульфіду молібдену +10% ПАР, І-20А +7,5% дисульфіду молібдену +10% ПАР. Мастила без ПАР готували при кімнатній температурі (з ПАР при 50 о С) з постійним перемішуванням. Після приготування мастило дотримувалися при кімнатній температурі протягом 5 днів і перевірялася на наявність розшаровування, у зв'язку з присутністю в ПАР води. Кожну мастило випробували в трьох режимах, побудували діаграми випробувань.
Чисте індустріальне І-20А виявилося не може витримати високі навантаження (Мал. 1 додатка). При цьому час підробітки склало 10 хвилин, після чого спостерігався поступове зростання коефіцієнта тертя пов'язаного з видавлюванням олії з вузла тертя. Лише після зняття навантаження стабілізувався коефіцієнт тертя, що говорить про нормальну роботу при навантаженнях не більше 50 Н. При роботі в режимі зміни частоти система виявилося більш стабільною: амплітуда коливань не перевищувала встановлені значення більш ніж на 20%, а час підробітки склало 9 хвилин. При цьому потрібно відзначити, що коефіцієнт тертя на окремих ділянках експерименту був вище, ніж при навантаженні. Випробування по температурі масло І-20А не витримало, експеримент закінчився без стабілізації значень коефіцієнта тертя. У даному випадку, вирішальну роль зіграло випаровування масла протягом усього експерименту, що призвело до зростання коефіцієнта тертя на всіх ділянках з підвищенням температури.
Склад І-20А +5% графіт пройшов успішно випробування в режимах зміни навантаження і частоти, при цьому ділянка підробітки знизився до 7 і 4 хвилин відповідно. У режимі зміни частоти коефіцієнт тертя виявився нижче, ніж в режимі зміни навантаження. Однак у режимі зміни частоти при відрізку з частотами від 200 до 227 Гц спостерігався прямопропорційної зростання коефіцієнта тертя, що говорить про досягнутий максимумі за частотою для даної мастила. Випробування по температурі даний склад не пройшов, система виявилася дуже чутлива до найменшого підвищення температури супроводжується зростанням коефіцієнта тертя, як наслідок не стабільністю на всіх ділянках роботи.
Склад І-20А +7,5% графіт успішно пройшов випробування в режимі зміни частоти, з характерними особливостями для складу Склад І-20А +5% графіт. Однак стабілізований коефіцієнт тертя був дещо вищим, ніж у попередньому експерименті. У режимі зміни навантаження нестабільність спостерігалася на всіх етапах експерименту, хоча невелика стабілізації наступала в районі пікових навантажень та при підсумкової навантаженні. Випробування зі зміною температури зберегли картину для Складу І-20А +5% графіт, якісної зміни не настав.
Для складу І-20А +5% +10% ПАР в режимі зміни навантаження якісна картина діаграм не змінилася, при цьому підсумковий коефіцієнт тертя знизився в 1,25 рази для обох випадків. У режимі зміни частоти крива коефіцієнта тертя вийшла більш плавна, що свідчить про стабілізацію величини. Для режиму зміни температури вийшла інша якісна картина: коефіцієнт тертя не знижується зі збільшенням температури, при цьому відбувається його зниження при температурах понад 140 о С. Кількісно підсумковий коефіцієнт тертя знизився в 1,6 рази.
У режимі випробування зміни навантаження складу І-20А +7,5% +10% ПАР показав себе з найкращої сторони: час приробляння склало 9 хв, на інших ділянках коефіцієнт тертя плавно змінювався відповідно до режиму і підсумкове значення знижено по відношенню до базового маслу в 1 , 6 разів. У режимі роботи з зміною частоти і зі зміною температури якісна картина не змінилася. Однак коефіцієнт тертя знижений при температурному режимі по відношенню до складу І-20А +5% +10% ПАР в 1,5 рази, на відміну від режиму зі зміною частоти, де картина не змінилася.
Для різних режимів були побудовані загальні діаграми зміни коефіцієнта тертя в часі (Мал. х-х)
2) Зміна частоти коливань від 5 до 500 Гц при постійній амплітуді коливань 100 мкм, навантаженні 50 Н, температурі 50 о С.
3) Зміна температури від 50 до 290 о С при постійній амплітуді коливань 100 мкм, навантаженні 50 Н, частоті коливань 50 Гц.
Зміна головного параметра задавалося в комп'ютерній програмі через градієнт відповідної величини і вироблялося за схемою (рис. Х)
Рис. Х. Схема зміни головного параметра протягом часу.
Схема зміни була обрана так, що максимально наблизити систему підробітки на машинобудівних підприємствах, при цьому випробування зі збільшенням навантаження і температури це маловивчена область у цьому напрямку.
При випробуванні в режимі зміни навантаження (рис. Х) видно, що час підробітки зразків займає тривалий час, а амплітуда коливань не витримується. Так, при пікових навантаженнях амплітуда перевищує задану в програмі до 9 разів, що пов'язано з нездатністю чистого масла І-20А протистояти високим навантаженням. Однак стабілізація коефіцієнта тертя в завершальних етапах дозволила говорити про можливість застосування такого режиму.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни навантаження
При випробуванні в режимі зміну частоти (рис. Х) при виході на частоту понад 235 Гц відбувається зниження амплітуди, де при 500 Гц частота ставати рівною 0, що свідчить про утворення схоплювання і нездатності масла І-20А витримати такі частоти. Тому було прийнято рішення знизити верхню межу частоти до 227 Гц з урахуванням постійного градієнта зміни.
Випробування в режимі зміни температури планувалося провести в діапазоні температур від +50 до +290 о С, однак фактично вдалося досягти не більше 190 о С (Мал. Х), що пов'язано з особливостями нагрівального модуля машини тертя.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни температури
Як з'ясувалося в наступному експерименті, максимальний температурний градієнт становить 20 градусів за хвилину, тоді як при такому діапазоні температур необхідно 40 градусів. При цьому в камері спостерігалося значне випаровування масла, що у подальшому було б причиною заїдання у вузлі тертя. Тому вирішено понизити верхній поріг температури до 150 о С.
У результаті оцінки фізико-хімічних і трибологічних властивостей масла І-20А з антифрикційними добавками було прийнято рішення приготувати мастильні склади: І-20А +5% графіту, І-20А +7,5% графіту,
І-20А +5% графіту +10% ПАР, І-20А +7,5% графіту +10% ПАР, І-20А +5% дисульфіду молібдену, І-20А +7,5% дисульфіду молібдену, І-20А + 5% дисульфіду молібдену +10% ПАР, І-20А +7,5% дисульфіду молібдену +10% ПАР. Мастила без ПАР готували при кімнатній температурі (з ПАР при 50 о С) з постійним перемішуванням. Після приготування мастило дотримувалися при кімнатній температурі протягом 5 днів і перевірялася на наявність розшаровування, у зв'язку з присутністю в ПАР води. Кожну мастило випробували в трьох режимах, побудували діаграми випробувань.
Чисте індустріальне І-20А виявилося не може витримати високі навантаження (Мал. 1 додатка). При цьому час підробітки склало 10 хвилин, після чого спостерігався поступове зростання коефіцієнта тертя пов'язаного з видавлюванням олії з вузла тертя. Лише після зняття навантаження стабілізувався коефіцієнт тертя, що говорить про нормальну роботу при навантаженнях не більше 50 Н. При роботі в режимі зміни частоти система виявилося більш стабільною: амплітуда коливань не перевищувала встановлені значення більш ніж на 20%, а час підробітки склало 9 хвилин. При цьому потрібно відзначити, що коефіцієнт тертя на окремих ділянках експерименту був вище, ніж при навантаженні. Випробування по температурі масло І-20А не витримало, експеримент закінчився без стабілізації значень коефіцієнта тертя. У даному випадку, вирішальну роль зіграло випаровування масла протягом усього експерименту, що призвело до зростання коефіцієнта тертя на всіх ділянках з підвищенням температури.
Склад І-20А +5% графіт пройшов успішно випробування в режимах зміни навантаження і частоти, при цьому ділянка підробітки знизився до 7 і 4 хвилин відповідно. У режимі зміни частоти коефіцієнт тертя виявився нижче, ніж в режимі зміни навантаження. Однак у режимі зміни частоти при відрізку з частотами від 200 до 227 Гц спостерігався прямопропорційної зростання коефіцієнта тертя, що говорить про досягнутий максимумі за частотою для даної мастила. Випробування по температурі даний склад не пройшов, система виявилася дуже чутлива до найменшого підвищення температури супроводжується зростанням коефіцієнта тертя, як наслідок не стабільністю на всіх ділянках роботи.
Склад І-20А +7,5% графіт успішно пройшов випробування в режимі зміни частоти, з характерними особливостями для складу Склад І-20А +5% графіт. Однак стабілізований коефіцієнт тертя був дещо вищим, ніж у попередньому експерименті. У режимі зміни навантаження нестабільність спостерігалася на всіх етапах експерименту, хоча невелика стабілізації наступала в районі пікових навантажень та при підсумкової навантаженні. Випробування зі зміною температури зберегли картину для Складу І-20А +5% графіт, якісної зміни не настав.
Для складу І-20А +5% +10% ПАР в режимі зміни навантаження якісна картина діаграм не змінилася, при цьому підсумковий коефіцієнт тертя знизився в 1,25 рази для обох випадків. У режимі зміни частоти крива коефіцієнта тертя вийшла більш плавна, що свідчить про стабілізацію величини. Для режиму зміни температури вийшла інша якісна картина: коефіцієнт тертя не знижується зі збільшенням температури, при цьому відбувається його зниження при температурах понад 140 о С. Кількісно підсумковий коефіцієнт тертя знизився в 1,6 рази.
У режимі випробування зміни навантаження складу І-20А +7,5% +10% ПАР показав себе з найкращої сторони: час приробляння склало 9 хв, на інших ділянках коефіцієнт тертя плавно змінювався відповідно до режиму і підсумкове значення знижено по відношенню до базового маслу в 1 , 6 разів. У режимі роботи з зміною частоти і зі зміною температури якісна картина не змінилася. Однак коефіцієнт тертя знижений при температурному режимі по відношенню до складу І-20А +5% +10% ПАР в 1,5 рази, на відміну від режиму зі зміною частоти, де картина не змінилася.
Для різних режимів були побудовані загальні діаграми зміни коефіцієнта тертя в часі (Мал. х-х)
Рис. Х Загальна діаграма зміни коефіцієнта тертя в режимі зміни частоти для графітових мастил
Антифрикційні добавки на основі графіту і дисульфіду молібдену є речовини здатні модифікувати поверхню, а саме наближати її до ізотропному станом [1,3-7], при якому сила тертя не залежить від напрямку переміщення іншій поверхні [24].
У ІПМ Уро РАН ми провели трибологические випробування для оцінки властивості цих речовин утворювати захисне покриття на двох типах поверхонь: анізотропної за допомогою двокоординатної машини тертя і умовно ізотропної, при роботі на багатофункціональної машині тертя моделі SRV. З аналізу отриманих кривих (див. мал. 5-7) на машині SRV видно, що при навантаженні в 50 Н, до встановленого ходом 1 мм, температурою 50 о С, при частотах обертання 5 Гц, 50 Гц коефіцієнт тертя для вузла, що містить мастильний матеріал з модифікатором тертя, зменшується при збільшенні концентрації дисульфіду молібдену до 7,5%, після починає зростати сила тертя. Для графіту при 5 Гц коефіцієнт тертя значно знижується при підвищенні концентрації добавки до 5,0%, однак при подальшому збільшенні концентрації коефіцієнт тертя різко збільшується. Така поведінка графіту можна пов'язати з твердістю частинок, яка в 1,25-1,5 рази вище, ніж у MoS 2 та їх розміром, які в 3 рази більше [25]. Для графіту при 50 Гц коефіцієнт тертя знижується при підвищенні концентрації добавки до 10,0%, що можна пояснити кращою активацією частинок при більш активному переміщенні сталевої кульки, отже, більшою енергією переданої частинкам.
Антифрикційні добавки не витримали випробування при частоті 500 Гц, різкі скачки тертя пов'язані з утворенням задирів і схоплювання, тому їх використання в таких умовах без додаткового введення розчинних антифрикційних присадок не можливо.
На двох координатної машині тертя ми провели два типи випробувань:
перший був спрямований на отримання порівняльних характеристик шляхом проведення випробування мастильних матеріалів у режимі ходу по прямій траєкторії, другий для оцінки розкиду коефіцієнта тертя в умовах анізотропії поверхні в режимі ходу по круговій траєкторії. У результаті першого експерименту (Див. мал. 9) крива залежності коефіцієнта цієнта тертя від концентрації добавки для дисульфіду молібдену аналогічна кривим, отриманим на машині тертя SRV і отриманим авторами [3]. Більш того ці криві відповідають кривої зміни поверхневого натягу системи, отриманої в ході предвдущей роботи [25], що ще раз підтверджує взаємозв'язок величин. У ході другого експерименту були отримані анізотропії тертя (див. рис 11-17 в додатку), які володіють однаковою формою і однаковими напрямками максимумів і мінімумів сили тертя, що говорить про якість зробленого експерименту. Провівши вивчення анізотропії, були побудовані криві залежності мінімальних і максимальних значень коефіцієнта тертя від умов проведення досліду. крива мінімальних значень відповідає отриманим кривим на умовно ізотропних поверхнях, що дає можливість припустити про рух індентора вздовж напрямку обробки. Крива максимальних значень показує зниження коефіцієнта тертя при збільшенні добавки дисульфіду молібдену аж до 10%, що не відповідає попереднім отриманими даними. Це пов'язано з тим, що навантаження у цій ділянці мінімальна, тому існує можливість для зниження коефіцієнта тертя.
На підставі виконаних трибологічних випробувань можна стверджувати, що оптимальна концентрація досліджуваних антифрикційних добавок лежить в діапазоні від 5 до 8%. Встановлено, що зниження коефіцієнта тертя відбувається в 1,75-2 рази по відношенню до масла
І-20А.
Додаток
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни температури.
\ S
Рис.11. Анізотропія сухого тертя індентора і зразка
\ S
Рис.12. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А
\ S
Рис.13. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +2,5% MoS 2
\ S
Рис.14. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +5,0% MoS 2
\ S
Рис.15. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +7,5% MoS 2
\ S
Рис.17. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +10,0% MoS 2
У ІПМ Уро РАН ми провели трибологические випробування для оцінки властивості цих речовин утворювати захисне покриття на двох типах поверхонь: анізотропної за допомогою двокоординатної машини тертя і умовно ізотропної, при роботі на багатофункціональної машині тертя моделі SRV. З аналізу отриманих кривих (див. мал. 5-7) на машині SRV видно, що при навантаженні в 50 Н, до встановленого ходом 1 мм, температурою 50 о С, при частотах обертання 5 Гц, 50 Гц коефіцієнт тертя для вузла, що містить мастильний матеріал з модифікатором тертя, зменшується при збільшенні концентрації дисульфіду молібдену до 7,5%, після починає зростати сила тертя. Для графіту при 5 Гц коефіцієнт тертя значно знижується при підвищенні концентрації добавки до 5,0%, однак при подальшому збільшенні концентрації коефіцієнт тертя різко збільшується. Така поведінка графіту можна пов'язати з твердістю частинок, яка в 1,25-1,5 рази вище, ніж у MoS 2 та їх розміром, які в 3 рази більше [25]. Для графіту при 50 Гц коефіцієнт тертя знижується при підвищенні концентрації добавки до 10,0%, що можна пояснити кращою активацією частинок при більш активному переміщенні сталевої кульки, отже, більшою енергією переданої частинкам.
Антифрикційні добавки не витримали випробування при частоті 500 Гц, різкі скачки тертя пов'язані з утворенням задирів і схоплювання, тому їх використання в таких умовах без додаткового введення розчинних антифрикційних присадок не можливо.
На двох координатної машині тертя ми провели два типи випробувань:
перший був спрямований на отримання порівняльних характеристик шляхом проведення випробування мастильних матеріалів у режимі ходу по прямій траєкторії, другий для оцінки розкиду коефіцієнта тертя в умовах анізотропії поверхні в режимі ходу по круговій траєкторії. У результаті першого експерименту (Див. мал. 9) крива залежності коефіцієнта цієнта тертя від концентрації добавки для дисульфіду молібдену аналогічна кривим, отриманим на машині тертя SRV і отриманим авторами [3]. Більш того ці криві відповідають кривої зміни поверхневого натягу системи, отриманої в ході предвдущей роботи [25], що ще раз підтверджує взаємозв'язок величин. У ході другого експерименту були отримані анізотропії тертя (див. рис 11-17 в додатку), які володіють однаковою формою і однаковими напрямками максимумів і мінімумів сили тертя, що говорить про якість зробленого експерименту. Провівши вивчення анізотропії, були побудовані криві залежності мінімальних і максимальних значень коефіцієнта тертя від умов проведення досліду. крива мінімальних значень відповідає отриманим кривим на умовно ізотропних поверхнях, що дає можливість припустити про рух індентора вздовж напрямку обробки. Крива максимальних значень показує зниження коефіцієнта тертя при збільшенні добавки дисульфіду молібдену аж до 10%, що не відповідає попереднім отриманими даними. Це пов'язано з тим, що навантаження у цій ділянці мінімальна, тому існує можливість для зниження коефіцієнта тертя.
На підставі виконаних трибологічних випробувань можна стверджувати, що оптимальна концентрація досліджуваних антифрикційних добавок лежить в діапазоні від 5 до 8%. Встановлено, що зниження коефіцієнта тертя відбувається в 1,75-2 рази по відношенню до масла
І-20А.
Додаток
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування масла І-20А в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 5% графіт + ПАР в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни навантаження.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% графіт + ПАР в режимі зміни температури.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни частоти.
Рис. Х. Діаграма випробування складу І-20А + 7,5% MoS 2 + ПАР в режимі зміни температури.
Рис.11. Анізотропія сухого тертя індентора і зразка
Рис.12. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А
Рис.13. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +2,5% MoS 2
Рис.14. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +5,0% MoS 2
Рис.15. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +7,5% MoS 2
Рис.17. Анізотропія тертя індентора і зразка з застосуванням як мастило мінерального масла І-20А +10,0% MoS 2