автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Улучшение триботехнических свойств пластичных смазочных материалов добавками нанокластеров порошковых композиций

Скринников Евгений Валерьевич

УЛУЧШЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОБАВКАМИ НАНОКЛАСТЕРОВ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

05.02.04 - «Трение и износ в машинах»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 5 СЕН 2013

Новочеркасск 2013

005532525

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» (ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ) на кафедре «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

кафедры «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)» Шульга Геннадий Иванович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

кафедры «Физика» ФГБОУ ВПО ДГТУ Илясов Виктор Васильевич

- кандидат технических наук, доцент

кафедры «Транспортные машины и триботехника» ФГБОУ ВПО РГУПС Харламов Павел Викторович

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

физической и органической химии Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Защита состоится «25» сентября 2013 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 при ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО ДГТУ) по адресу: 344000, Ростовская область, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан «20» августа 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д-р. техн. наук, профессор

В.Э. Бурлакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Важной задачей современной промышленности является создание наноиндустрии, основной номенклатурой которой являются наноструктурированные материалы, изделия из них, наноэлектрони-ка.

В России сосредотачиваются усилия на разработку и применение нано-структурированных материалов первого поколения: смазочные материалы, добавки к топливам, композиционные материалы, защитные и упрочняющие пленки, косметика, лекарственные препараты, текстильные материалы, катализаторы, мембраны, краски, упаковочные материалы, детекторы, сенсоры и др.

Учитывая мировые и отечественные тенденции по разработке нано-структурированных материалов и изделий из них, разрабатываются нанотех-нологии порошковых структурированных пластичных смазочных материалов с заданными свойствами.

В современном машиностроении для повышения долговечности узлов трения машин, механизмов, приборов, технологического оборудования приме-няяются пластичные смазочные материалы (ПСМ), в которых в качестве дисперсионной среды используют минеральные масла, а в качестве дисперсной фазы - различные мыла, а также тонкодисперсные органические и неорганические вещества. ПСМ на основе минеральных масел обладают хорошими про-тивоизносными и антифрикционными свойствами, но не обеспечивают длительную работу трибосопряжений в широком температурном интервале. ПСМ на основе синтетических масел работоспособны в интервале высоких температур, но обладают недостаточно высокими смазочными свойствами.

В настоящее время актуальной является проблема создания ПСМ для машин, механизмов, приборов и технологического оборудования, работающих без замены в широком интервале температур и нагрузок и обеспечивающих длительную работу узлов трения.

Основанием для выполнения настоящей работы является Межвузовская научно-техническая программа «Перспективные материалы» (тема 95/17 ф); Постановление Правительства РФ от 02. 08. 2007 г. № 498 Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 - 2011 годы».

Цель работы

Целью диссертационной работы является повышение долговечности узлов трения машин, механизмов, приборов, технологического оборудования, разработкой пластичных смазочных материалов на основе олигооргано-силоксановых жидкостей, смешанных с минеральными маслами или синтетическими жидкостями, с использованием в качестве загустителей структурированных нанометрических кластеров порошковых материалов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физическую модель механизма смазочного действия ПСМ в

трибосопряжениях на основании концепции о фрактальных нано-

кластерах порошковых загустителей, обеспечивающих образование в трибосопряжениях слоистых (ламелярных) пленок; дисперсионных сред, представляющих собой смеси олигоорганосилоксановых жидкостей с минеральными или синтетическими маслами, реализующих синергизм смазочного действия и улучшающих смазочные свойства ПСМ.

2. Исследовать механизм смазочного действия олигоорганосилоксановых жидкостей.

3. Исследовать механизм смазочного действия смешанных олигоорганосилоксановых жидкостей с минеральными маслами или синтетическими жидкостями.

4. Разработать методики экспресс-оценки триботехнических свойств ПСМ на машине трения СМЦ-2, четырехшариковой машине трения, торцевой машине трения для исследования масел с низкой смазочной способностью.

5. Разработать комплексные методики исследования состава и триботехнических свойств нанопленок, генерируемых из смазочной среды, на торцевой машине трения и атомно-силовом микроскопе HV Solver.

6. Исследовать смазочное действие ПСМ.

7. Разработать технологии производства и использования ПСМ.

8. Определить физико-химические свойства ПСМ.

Предмет и объект исследования: дисперсионные среды, дисперсные фазы, пластичные смазочные материалы.

Методологическая база: разработка комплексной методики исследования смазочных свойств жидких и пластичных смазочных материалов, нанопленок, генерируемых из ПСМ на торцевой машине трения и атомно-силовом микроскопе HV Solver.

Теоретическая база: концепции о фрактальных нанокластерах порош-—ковых загустителей, обеспечивающих образование слоистых пленок в трибосопряжениях при смазывании ПСМ, механоокислительной деструкции олигоорганосилоксановых жидкостей, синергизме смазочного действия смешанных олигоорганосилоксанов с минеральными или синтетическими маслами.

Эмпирической базой явились результаты исследований ресурса работы подшипников качения технологического оборудования с разработанными ПСМ.

Научные результаты, выносимые на защиту:

Автор защищает научно- и экспериментально обоснованную технологию получения ПСМ на основании концепции о фрактальных структурированных нанопорошковых загустителях - нанокластерах сажи и политетрафторэтилена, обеспечивающих образование слоистых пленок в трибосопряжениях. Теоретическое и экспериментальное обоснование положения о синергизме смазочного действия при формировании на контактирующих поверхностях смазочных слоев, состоящих из смеси олигоорганосилоксанов и синтетических или минеральных масел и структурированных загустителей, что позволяет повысить нагрузочную и смазочную способность ПСМ и обеспечить длительную работу трибосопряжений в широком интервале температур.

Научная новизна:

Высказано положение о фрактальных нанокластерах порошковых загустителей, синергизме смазочного действия ПСМ на основе смесей олигоорга-носилоксанов с синтетическими или минеральными маслами, загущенных структурированными органическими загустителями, отличающееся тем, что при введении синтетических или минеральных масел в олигоорганосилоксаны происходит адсорбция синтетических, минеральных масел между молекулами олигоорганосилоксанов и образование на контактирующих поверхностях граничных слоев высокой смазочной способности, препятствующих непосредственному контактированию сопряженных поверхностей и механической деструкции олигоорганосилоксанов.

При загущении смешанных дисперсионных сред структурированными нанопорошковыми сажей и политетрафторэтиленом и их адсорбции на контактирующих поверхностях образуются дополнительные слоистые пленки с адсорбированными на них молекулами дисперсионной среды, что препятствует непосредственному контактированию трибосопряжений, развитию механо-окислительной деструкции молекул олигоорганосилоксанов, улучшает смазочное действие таких пленок и обеспечивает длительные ресурсы работы узлов трения без замены ПСМ.

Теоретическая значимость работы. Концепция о создании фрактальных структурированных порошковых загустителей и синергизме смазочного действия олигоорганосилоксанов в смеси с синтетическими или минеральными маслами позволяет разрабатывать технологию получения ПСМ, генерирующих пленки в трибосопряжении и улучшающих смазочное действие ПСМ.

Практическая значимость работы.

1. Разработаны составы, способ и технология получения ПСМ на основе концепции о фрактальных нанокластерах ^включающих смешивание синтетических или минеральных масел, загущениелх структурированными нанопорошковыми сажей и политетрафторэтиленом, что позволяет повысить надежность и долговечность узлов трения машин, механизмов, приборов в 1,5...1,6 раза.

2. Разработана физическая модель механизма смазочного действия ПСМ на основе олигоорганосилоксанов, смешанных с синтетическими или минеральными маслами, загущенных структурированными нанометрическими кластерами сажи и политетрафторэтилена.

3. Разработаны методики экспресс-оценки смазочных материалов на машине трения СМЦ-2, торцевой машине трения, позволяющие оценивать антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства смазочных материалов.

4. Разработана комплексная методика исследования нанопленок, генерируемых из ПСМ, на торцевой машине трения и атомно-силовом микроскопе HV Solver.

5. Даны рекомендации по внедрению разработанных ПСМ в узлах трения металлорежущего, прессового оборудования, транспортных, транспортно-технологических машин и комплексов.

Реализация результатов работы.

Пластичные смазочные материалы типа «Дон» прошли промышленные испытания и внедрены в узлах трения технологического оборудования на предприятии ЗАО «Ростовгазоаппарат», г. Ростов-на-Дону.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация соответствует п. 4. «Смазочное действие, граничная смазка»; п. 8 «Триботехнические свойства смазочных материалов»; п. 14. «Микро- и нано-трибология» паспорта научной специальности 05.02.04 - «Трение и износ в машинах».

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрения в производство докладывались на: научных семинарах кафедры «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ)» 2004-2013 г.; IV Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибо-электрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2005 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектро-химии», г. Новочеркасск 2006 г.; VI Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2007 г.; VII Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2008 г.; научно-технических конференциях студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна - 2004», «Студенческая научная весна - 2005», «Студенческая научная весна - 2007», «Студенческая научная весна - 2008», «Студенческая научная весна-2009»; I Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» 23-27 июня 2008 г., г. Плес, Ивановская обл.; Международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2009», 13-15 октября 2009 г., г. Волгоград; П Междунар. науч. конф. «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» 21-25 июня 2010 г., г. Плес, Ивановская обл.; «Трибология - машиностроению», науч.-техн. конф. с участием иностранных специалистов, посвященная 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущова, 7-9 декабря 2010 г., г. Москва; XI Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике, г. Новочеркасск, 2012 г.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением аттестованных методик исследования, современного оборудования, измерительной аппаратуры, приемлемой сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились с использованием поверенных измерительных средств.

Публикации. По материалам диссертационного исследования в соавторстве опубликовано 16 научных работ (общим объемом - 5,0/1,85 печатных листа), в том числе четыре в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из

185 наименований, приложения на трех страницах. Содержит 148 страниц печатного текста, 35 рисунков и 15 таблиц.

Личный вклад автора.

Основные научные положения и результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы и определившие теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение повышения триботехнических свойств ПСМ на основе олигоорганосилоксанов, смешанных с полиальфаоле-финами, минеральными маслами, загущенных структурированными нанопо-рошками сажи и политетрафторэтилена, получены автором лично. Экспериментальная проверка полученных в диссертации зависимостей, положений и принципов, осуществлялась автором самостоятельно, либо при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении в краткой форме обоснована актуальность поставленной научно-технической проблемы, приведены основные результаты по ее решению с указанием новизны положений, защищаемых автором, и практической ценности диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ результатов исследований структурооб-разования и технологии получения ПСМ за последние 15-20 лет. Большой вклад в разработку, а также исследование явлений, происходящих при смазывании жидкими и пластичными смазочными материалами, внесли отечественные ученые К.С. Ахвердиев, А.С.Ахматов, Л.И. Бершадский, H.A. Буше, И.А. Буя-новский, Д.С. Великовский, Г.В. Виноградов, Д.Н. Гаркунов, Б.В. Дерягин, Ю.Н. Дроздов, Ю.А. Евдокимов, Ю.С. Заславский, С.М. Захаров, Ю.Л. Ищук, К.И. Климов, В.И. Колесников, Б.И. Костецкий, И.В. Крагельский, A.C. Кужа-ров, A.A. Кутьков, B.J1. Лашхи^Р.М. Матвеевский, Н.П. Петров, В.Ф. Пичугин, Ю.Я. Подольский, П.А. Ребиндер, В.В. Синицын, Г.И. Фукс, И.Г. Фукс, В.В. Шаповалов и др., из зарубежных К.Дж. Бонер, Ф.Ф. Боуден, А. Вахал, Д. Кламанн, С. Кэлхун, Л. Пуддингтон, Д. Тейбор, У.Б. Харди, У. Хирст и др. Показано, что разработка ПСМ проводится в направлении использования эффективных ПСМ, обеспечивающих повышение работоспособности трибосо-пряжений машин, механизмов, приборов, технологического оборудования.

На основании проведенных исследований установлено, что улучшение смазывающей способности дисперсионной среды ПСМ возможно за счет использования смесей олигоорганосилоксановых жидкостей с совместимыми минеральными маслами и синтетическими жидкостями, обеспечивающих синергизм смазочного действии, а также, при условии использования в ПСМ наноструктурированных загустителей, повышение смазочной способности в широком интервале температур и нагрузок.

Во второй главе выдвинута и реализована концепция о создании фрактальных нанокластеров в ПСМ, которые обладают свойствами адаптации к внешнему воздействию, способных к самоорганизации путем перестройки неравновесных структур в критических точках.

При смешивании олигоорганосилоксанов с минеральными маслами или синтетическими жидкостями и загущении структурированными нанопорош-ковыми загустителями в зоне контакта формируются смазочные слои, обеспечивающих длительные ресурсы работы узлов трения.

Олигоорганосилоксановые жидкости имеют низкие смазочные свойства, что обусловлено спиралевидной конфигурацией их молекул, при которой компенсируется полярность связи 81-0. Благодаря высокой поляризуемости связи БьО каждая из этих групп может взаимодействовать с поверхностью твердой фазы, что обусловливает горизонтальную ориентацию этих молекул при адсорбции. Олигоорганосилоксановые жидкости не образуют граничные смазочные слои с высокой несущей и смазочной способностью. Молекулы олигоор-ганосилоксановых жидкостей имеют малую адгезию к поверхности, а когези-онные силы между спиралевидными молекулами слабы, вследствие чего они не образуют плотно упакованных монослоев на поверхности металла.

При действии осевых нагрузок происходит непосредственное контактирование и схватывание трущихся поверхностей. Монослой из таких молекул имеет низкую нагрузочную способность, что в трибосопряжении при определенных нагрузках и скоростях приводит к разрыву смазочной пленки, непосредственному контакту трущихся поверхностей, накоплению в смазочном материале мелкодисперсных продуктов изнашивания. При трении пар сталь -сталь олигоорганосилоксановые жидкости претерпевают механоокислитель-ную деструкцию. Накопление в смазочном материале мелкодисперсных продуктов изнашивания способствует механической деструкции молекул, а окислительная деструкция происходит под действием контактных и внешних температур.

При смешивании олигоорганосилоксановых жидкостей с минеральными или синтетическими маслами на поверхностях трибосопряжения образуются пленки, состоящие из монослоев олигоорганосилоксанов и парафиновых, нафтеновых, ароматических радикалов, а-олефинов, располагающихся между молекулами олигоорганосилоксана. Такие структуры способны увеличить нагрузочную способность смешанной дисперсионной среды смазочного материала. Структурирование нанопорошков сажи, имеющей пластинчатое строение, нанопорошком политетрафторэтилена позволяет реализовывать механизм смазочного действия, при котором наночастицы политетрафторэтилена, расположенные между пластинчатыми частицами сажи, образуют слоистые пленки и обеспечивают легкость сдвиговых деформаций, вследствие высоких антифрикционных свойств политетрафторэтилена при попадании в зону контакта.

Порошки сажи рассмотрены как фрактальные (самоподобные) нанокла-стеры, на которых под действием ван-дер-ваальсовых дисперсионных сил адсорбируют нанопорошки политетрафторэтилена и олигоорганосилоксаны, смешанные с минеральными или синтетическими маслами.

В качестве компонентов для изготовления исследуемых образцов ПСМ использовали олигоорганосилоксановые жидкости: ПЭС 132-25, содержащие этил- (ГОСТ 10957-74); ПМС-200 - метил- (ГОСТ 13032-77), ПФМС-4 - фе-нилметилрадикалы (ГОСТ 15866-70), ХС-2-1 ВВ - хлор в ароматическом ра-

дикале (ТУ 6-02-804-79), ФС-328/300 - фтор в алифатическом радикале (ТУ П-94-67), ПМТС-2/250 ВВ - атомы серы в тиенильном радикале (ТУ 6-02-103675); минеральное моторное масло «Лукойл-Супер» 15\У40 (ТУ 0253-01500148599-2001), индустриальное масло И-20А (ГОСТ 20779-75), синтетическую жидкость ПАОМ-20 (ТУ 38.401-58-42-92), нанопорошки сажи марки ДГ-100 (ГОСТ 7885-86), порошки политетрафторэтилена, полученного из продуктов пиролиза данного полимера.

Разработаны методики исследования смазочных свойств ПСМ на машине трения СМЦ-2, торцевой машинах трения.

Недостатком испытаний смазочных материалов с начальным линейным и последующим переменным контактом на машине трения СМЦ-2 является низкая чувствительность контакта к изменению состава компонентов смазочных материалов, вводимых добавок, а также невозможность проведения испытаний при повышенных контактных нагрузках.

Для повышения удельных нагрузок в зоне контакта и его чувствительности при испытании смазочных материалов заменили линейный контакт пары трения цилиндр - цилиндр на точечный - вращающийся диск, имеющий поверхность тора, - неподвижный цилиндр.

Критериями оценки смазочных свойств испытуемых материалов при трении пары вращающийся диск, имеющий поверхность тора, - неподвижный цилиндр на машине трения СМЦ-2 являются: длина Ьср, ширина / , глубина к канавки изнашивания неподвижного образца, имеющего поверхности цилиндра, мм; объем изношенного материала К, неподвижного цилиндрического образца, мм3; коэффициент трения ц; весовой износ Я, неподвижного цилиндрического образца, г; температура испытуемого смазочного материала Т,°С.

Исследования смазочного действия олигоорганосилоксанов проводили по методике комплексной сравнительной оценки смазочной способности масел на четырёхшариковой машине трения при одинаковых нагрузках. Сравнительную оценку смазочных свойств олигоорганосилоксановых жидкостей проводили по следующим критериям: несущей смазочной способности (критической нагрузке РК), противозадирным, противоизносным свойствам, нагрузке начала сваривания шаров, температурному критерию. Критическую нагрузку Рк, противо-задирные свойства, нагрузку сваривания шаров Рс определяли при ступенчатом увеличении нагрузки, начиная от 200 Н, при нанесении на шары пленки смазочного материала. Опыты проводили на шарах из стали ШХ15 НЯС 60...62, диаметром 12,7 мм, при скорости вращения шпинделя 1000 мин1 (¥= 0,41 м/с) в течение 1 мин. Противоизносные свойства олигоорганосилоксанов определяли при испытании в объеме жидкости в чашке при п = 1000 мин"1 в течение 1 часа, при осевой нагрузке Р = 0,5 Рк.

Исследовали пленки, образующиеся при испытании ПСМ на образцах на торцевой машине трения, при трении пары сталь 08ЮОСВ2А - сталь 40Х, при частоте вращения шпинделя п = 47,3 мин"1 (линейная скорость вращения 0,05 м/с), осевой нагрузке 400 Н, времени испытания 1 мин. Цилиндрические образцы изготавливали из стали 40Х, наружный диаметр 0 24 мм, внутренний

0 16 мм, высота 16 мм. Контртело представляет собой пластину толщиной 0,5 мм и диаметром 30 мм, изготавливаемой из стали 08ЮОСВ2А. Для получения пленки на поверхность контртела наносили исследуемый ПСМ.

Исследование продуктов износа, образующихся при испытании олигоорга-носилоксанов, проводили на электронном микроскопе УЭМВ-ЮОК. Готовили бесструктурные плёнки 1...5 % коллодия в амилацетате. Необходимую толщину плёнок получали путём нанесения капли раствора на водную поверхность. Приготовленные плёнки наносили на объектные сетки и просушивали на воздухе. Для исследования продуктов износа их наносили из раствора толуола на приготовленные плёнки. Продукты износа изучали на просвет и в режиме микродифракции.

Исследования состава нанопорошков и структурированных нано-порошковых композиций проводили на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Quanta 200 (производитель: FEI Company, Holland) в следующих условиях:

- рабочие режимы: HV-высокий вакуум (давление 2,5-10" Па);

- ускоряющее напряжение 15 кВ;

- увеличение от 25 до 150 000;

- используемый детектор - детектор сцинтилляторного типа - Эверхар-та-Торнли;

- детектируемый сигнал - вторичные электроны.

Рентгеновский анализ проводили с использованием приставки энергодисперсионного анализа Genesis (производитель: EDAX Inc., USA) к СЭМ Quanta 200.

Метод латеральных сил на атомно-силовом микроскопе (ACM) HV Solver позволяет исследовать силу трения между иглой кантилевера и пленками, генерируемыми из ПСМ, которые включают композиции дисперсионных сред и структурированные порошковые загустители.

При взаимодействии иглы кантилевера с поверхностью помимо нормальных сил возникают также боковые (латеральные) силы. Атомно-силовая микроскопия позволяет измерять эти силы, что существенно расширяет возможности для исследования свойств поверхностей различных образцов. На латеральные силы оказывает влияние не только трение, но и рельеф поверхности.

Методом планирования эксперимента Бокса-Уилсона определен оптимальный состав ПСМ «Дон-3»: ПЭС 132-25 - 13...17%, ПАОМ-20 - 53...63%, сажа марки ДГ-100 - 23...27%, политетрафторэтилен - 1,5...2,5%.

В третьей главе подтверждена концепция о фрактальных нанокластерах в ПСМ, на основе смесей олигоорганосилоксанов с синтетическими жидкостями или минеральными маслами, загущенных структурированными нанопо-рошками сажи и политетрафторэтилена.

Несущую способность и противозадирные свойства олигоорганосилоксанов исследовали на четырехшариковой машине трения при нанесении на шары пленки при испытании в течение 1 мин. Результаты исследований приведены в табл.1 и на рис. 1 а, б.

Таблица 1

Несущая способность и противозадирные свойства _олигоорганосилоксанов_

Смазочный материал Несущая способность Противозадирные свойства

Критическая нагрузка, Н Диаметр пятна износа, мм Коэффициент трения Нагрузка сваривания шаров, Н Диаметр пятна износа, мм

ПЭС 132-25 320 0,39 0,08... 0,30 1000 1,76

ПМС-200 290 0,46 0,14...0,21 1150 1,40

ПФМС-4 80 0,35 0,13...0,18 850 1,26

ФС-328/300 490 0,55 0,11...0,15 1500 1,29

ПМТС- 2/250ВВ 280 0,50 0,12...0,15 1500 1,68

ХС-2-1 ВВ 330 0,42 0,12...0,15 1350 1,69

На рис.1 а, б показаны результаты исследований на четырехшариковой машине трения: зависимости несущей способности и противозадирных свойств олигоорганосилоксанов от природы обрамляющих радикалов, а также олигоорганосилоксанов, содержащих гетероатомы хлора, фтора, серы в радикалах, обрамляющих силоксановую цепь.

Исследования олигоорганосилоксановых жидкостей показали, что их смазочные свойства зависят от обрамляющих силоксановую цепь радикалов (рис.1, а). Лучшими смазочными свойствами обладали олигоорганосилоксаны, содержащие этил-, метилрадикалы, худшими - полиметилфенилрадикалы. При испытании олигодиметилсилоксана ПМС-200 образовывались полимерные пленки, что увеличивало критическую нагрузку заедания до 800 Н. Введение радикалов, содержащих хлор в фенильных радикалах (ХС-2-1 ВВ), серу в тие-нильных радикалах (ПМТС-2/250 ВВ), атомы фтора в алифатическом радикале (ФС-328/300), показало улучшение смазочных свойств (рис. 1 б). Однако, при испытаниях олигоорганосилоксановых жидкостей в течение 1 часа в объеме чашки четырехшариковой машины трения накапливались продукты износа, что ухудшало их смазочные свойства.

Установлено, что олигоорганосилоксановые жидкости претерпевают ме-ханоокислительную деструкцию при трении сталь-сталь. Накопление в смазочном материале мелкодисперсных продуктов изнашивания способствует механической деструкции, а окислительная деструкция происходит под действием контактных и внешних температур.

Электронномикроскопические исследования продуктов износа на электронном микроскопе УЭМВ-100К на просвет и в режиме микродифракции показали, что продукты износа представляют мелкодисперсные частицы. На электроннограммах наблюдались дифракционные кольца, характерные для аРе и у- Ре.

0,4 1,0 2,0 3 4

Осевая нагрузка а

10 Рое'Ю^Н

и

10 14 Рос Ю2,Н

Осевая нагрузка б

Рис.1. Несущая способность и противозадирные свойства олигоорганосилоксанов:

а _ 1 _ олигоэтил - ПЭС 132-25; 2 - олигодиметил - ПМС-200; 3 - олигометилфенил ПФМС-4; б - 1 - олигометилфтор - ФС-328/300; 2 - олигометилтиенил - ПМТС-2/250 ВВ; 3 - олигохлорфенил - ХС-2-1 ВВ; а - линия упругой деформации по Герцу

в

Рис.2. Электронные микрофотографии и электроннограммы продуктов износа после испытаний в течение 1 часа:

а - олигоэтилсилоксановой жидкости ПЭС 132-25 при осевой нагрузке Р= 300 Н; б - олигодиметилсилоксановой жидкости ПМС-200 при осевой нагрузке Р = 500 Н; в - олигометилфенилсилоксановой жидкости ПФМС-4 при осевой нагрузке Р = 200 Н

Для улучшения смазочных свойств ПСМ, предложено вводить в смеси олигоорганосилоксанов и минеральных масел или синтетических жидкостей, структурированные нанопорошки сажи и политетрафторэтилена, образующие дополнительные слоистые пленки с малой прочностью к сдвигу, устраняющие непосредственный контакт трибосопряжений и механоокислительную деструкцию олигоорганосилоксанов и обеспечивающие долговечность узлов трения без замены пластичных смазочных материалов в широком интервале температур.

Дополнительные смазочные слои представляют подвергнутые деформации первичные фрактальные нанокластеры сажи с адсорбированным нано-порошком политетрафторэтилена, образующие слоистые пленки, которые улучшают смазочные свойства ПСМ.

Исследовали нанопорошки сажи марки ДГ-100 и политетрафторэтилена и возможности их совместного применения в качестве загустителей в ПСМ на СЭМ Quanta 200, рентгеновский анализ проводился с использованием приставки энергодисперсионного анализа Genesis.

Элементный состав структурированных нанопорошков сажи и политетрафторэтилена приведен на рис. 3 и состоит из С = 91,93 %, F = 6,03 %.

Для исследования механизма смазочного действия ПСМ «Дон-3» проводили его испытания на торцевой машине трения. На поверхностях образцов образовывались пленки, генерируемые из ПСМ «Дон-3» при трении.

¡«(КаЭТдеиеяздо'ширз.зрс 06-L>cc-2006 и^гюв

Element Wt% At %

CK 91,93 96,06

FK 06,03 03,94

Matrix Correction ZAF

7.00 1.00 Mfl 10.1

Рис. 3. Вид и элементный состав структурированной смеси порошков сажи и политетрафторэтилена

Элементный состав пленок, образующихся в трибосопряжении, исследовали на СЭМ Quanta 200. Из рис. 4 следует, что пленки, генерируемые из пластичного смазочного материала, состояли из 12,37% углерода, 2,95% фтора, 0,82% кремния. Обнаруженное железо - 83,86% является элементом поверхностного слоя испытуемого металлического образца.

с:'*<1лхЗ? o«i>esi*«ennwp!».s|K 14Но«-?#в» 1 LSec* AfcM 44

«50- l ' Element wt% At %

CK 12.37 37.92

FK 02.95 05.73 0

510- SiK 00.82 01.07

FeK 83.86 55.28

MO- Matrix Correction ZAF _

170- С J Si „1

1.M ?.M AO -toe .в« 6.00 T.M »00 4.80 10

Рис. 4. Исследование пленок, образующихся на поверхности стали 080ЮСВ2А, при смазывании ПСМ «Дон-3» пары трения сталь 080ЮСВ2А - сталь 40Х

На ACM HV Solver проводили исследования образца из стали 08ЮОСВ2А без нанесения ПСМ «Дон-3», этого же образца при нанесении тонкой пленки ПСМ «Дон-3», а также пленки, генерируемой в трибосопряжении, при испытании этого же образца на торцевой машине трения и при нанесении на эту пленку тонкого слоя ПСМ «Дон-3».

Полученные значения результирующих сил трения на поверхностях образцов при сканировании на ACM HV Solver представлены на рис. 5. Пики (рис. 5, кривая 1) являются результатами дефектов поверхности образца из стали 08ЮОСВ2А. При нанесении ПСМ «Дон-3» на образцы из стали 08ЮОСВ2А (рис. 5, кривые 2 и 4) сила трения увеличивается вследствие проявления реологических свойств слоя смазочного материала. Низкие значения силы трения (рис. 5 кривая 3) объясняются генерированием в трибосопряжении из ПСМ слоистых пленок сажи и политетрафторэтилена.

Ртр-Ю^Н

0,35 0,30 0,25 0,20

0,15 0,10 0,05

^ 1 Г2 Г — к

/^ ГУ к-=1>

---\ Г к / \

ч V \ к

9- :— :- — ---- --к

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Б-Ю7, м

Рис. 5. Распределение сил трения вдоль линии образцов:

I - сталь 08ЮОСВ2А; 2 - сталь 08ЮОСВ2А с нанесенным ПСМ «Дон-3»;

3 - 08КЮСВ2А с пленкой, генерируемой в трибосопряжении при смазывании ПСМ «Дон-3»;

4 - 08ЮОСВ2А с пленкой, генерируемой в трибосопряжении при смазывании ПСМ «Дон-3», и дополнительно нанесенным ПСМ «Дон-3»

В четвертой главе подтвержден синергизм смазочного действия дисперсионных сред при определенных концентрациях: 90% И-20А +10% ПЭС 132-25; 90% «Лукойл-Супер» + 10% ПЭС 132-25, 90% ПАОМ + 10% ПЭС 13225 (рис. 6) при испытании на машине трения СМЦ-2 по разработанной методике. ~~

Показано влияние содержания нанопорошкового политетрафторэтилена в загустителе на антифрикционные и противоизносные свойства пластичных смазочных материалов. Для этого исследовали составы ПСМ с содержанием в загустителе политетрафторэтилена 1% и 2% (рис.7).

Из рис. 7 следует, что, при структурировании сажи политетрафторэтиленом, увеличение содержания политетрафторэтилена свыше 2% приводит к увеличению коэффициента трения и износа образцов.

Гомогенизация полученных составов ПСМ гомогенизатором позволяет повысить антифрикционные и противоизносные свойства пластичных смазочных материалов.

Результаты сравнительных испытаний разработанных составов ПСМ «Дон-3» с ПСМ «Касетол», ВНИИНП-231, выпускаемыми отечественной промышленностью, показаны на рис.8.

Из рис. 8 следует, что разработанный ПСМ «Дон-3» обладает лучшими противоизносными и антифрикционными свойствами по сравнению с ВНИИНП-231 и «Касетол» при осевой нагрузке от 100 до 700 Н. ПСМ «Дон-3» имеет такую же критическую нагрузку заедания как и «Касетол», но меньшие значения коэффициента трения и износа.

И-106, г 5 4 3 2 1

к

і /

2\ и

(=3 -< <1 -< \4 У—+

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Рос, Н а

й 0,20 0,15 0,10

0,05 0

і ^ 2

и --- /

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Р0С,Н

б

Рис. 6. Зависимости весового износа И (а) и коэффициента трения ц (б) от осевой нагрузки Рос при трении пары сталь У8А - сталь У8А и смазывании:

1 - 90% «Лукойл-Супер» + 10% ПЭС 132-25; 2 - 90% И-20А + 10% ПЭС 132-25; 3 - 90% ПАОМ-20 + 10% ПЭС 132-25

И-106, г- И

0,6 0,3

0,4 - 0,2

0,2 - 0,1

0 - 0

4Х

г ^

\ 2

100

200

300

400

500

Рос, Н

Рис. 7.3ависимости весового износа И, коэффициента трения ц пары трения сталь У8А - сталь У8А и смазывании:

кривые 1,2- ПСМ «Дон-3» с 1% ПТФЭ; кривые 3,4- ПСМ «Дон-3» с 2% ПТФЭ

И-105, г 0,30 0,20 0,10 0

100

к

/з

у И

у- —^

200

300

400

500

600

Р0С,Н

Ц

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

1

К

3

__ ----

ч 1

100

200

300

400

500

600 Рос, Н

б

Рис. 8. Зависимости весового износа И (а) и коэффициента трения ц (б) от осевой нагрузки Рос при трении пары сталь У8А - сталь У8А и смазывании:

1 - ВНИИНП-231; 2 - ПСМ «Дон-3»; 3 ="«Касетол»

В пятой главе показаны результаты ресурсных испытаний ПСМ «Дон-3» на машине СМЦ-2 (рис.9), торцевой машинах трения. Представлены рекомендации по промышленной реализации выполненных исследований. И, г

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0

И

0,15

0,10 0,05 0

ч1

10 20 30 40 50 Т, ч

Рис. 9 - Зависимости весового износа И (кривая 1) н коэффициента трения ц (кривая 2) от времени испытаний при трении пары сталь У8А - сталь У8А и смазывании ПСМ «Дон-3»

Испытания проводили на машине трения СМЦ-2 при фиксированной нагрузке Рос 300 Н, по схеме трения цилиндрический диск - диск с поверхностью тора, частоте вращения подвижного образца 300 мин"1. В качестве неподвижного образца использовали цилиндрический диск из стали У8А диаметром 50 мм и высотой 12 мм, а подвижного — диск с поверхностью тора из стали У8А диаметром 50 мм и высотой 10 мм. Оценку противоизносных свойств смазочных композиций вели по объему лунки износа, образующейся на цилиндрическом образце.

Таблица 2

Физико-химические свойства ПСМ «Дон-3»_

Наименование показателя Величина Норма по ГОСТ (ТУ)

Внешний вид Однородная мазь черного цвета Однородная мазь черного цвета

Вязкость эффективная, Па с (ГОСТ 7163-84) при 50°С и среднем градиенте скорости деформации 1000 с"1, не менее при -50°С и среднем градиенте скорости деформации 10 с"1, не более 1,1 410 1,0 400

Предел прочности при 80°С, Па, не менее (ГОСТ 7143-74) 160 150

Коллоидная стабильность при нагрузке ЗН в % выделенного масла, не более (ГОСТ 7142-74) 5,5 7,5

Испаряемость при 200°С, %, не более (ГОСТ 9566-74) 5,0 5,0

Коррозионное воздействие на металлы (ГОСТ 9.080-77) выдерживает выдерживает

Содержание воды в %, не более (ГОСТ 2477-65) 0,08 0,12

Рекомендовано разработанные ПСМ применять в интервале температур от — 60°С до +180°С без длительной замены в узлах трения технологического оборудования, транспортных, транспортно-технологических машин и комплексов.

Разработана технология изготовления ПСМ «Дон-3». Основные физико-химические свойства разработанного ПСМ «Дон-3», представленные в табл. 2, определяли в соответствии с методиками ГОСТ.

Применение разработанного ПСМ «Дон-3» позволило улучшить проти-воизносные в 1,5... 1,6 раза и антифрикционные свойства в 1,2... 1,4 раза по сравнению с ВНИИНП-231.

Проведены промышленные испытания разработанного ПСМ «Дон-3» на предприятии ЗАО «Ростовгазоаппарат» в подшипниках качения узлов трения технологического оборудования:

- двухкривошипный пресс АКК 3535А, номинальное усилие 3150 кН, подшипник № 3636 Н (D=380 мм, d=l 80 мм, В=126 мм) ГОСТ 520-2002 при 1450 мин"1;

- двухкривошипный пресс КБ 3537, номинальное усилие 5000 кН, подшипник № 3638 Н (D=400 мм, d=190 мм, В=132 мм) ГОСТ 520-2002 при 1450 мин"1;

- вертикальный консольно-фрезерный станок 6Т13, подшипник № 109 (D=75 мм, d=45 мм, В=16 мм) ГОСТ 8338-78 при 30... 1500 мин"1;

- токарно-винторезный станок 1К625ДГ, подшипники № 8107 (D=52 мм, d=35 мм, В=12 мм), № 7205 (D=52 мм, d=25 мм, В=16,25 мм) ГОСТ 333-79 при 12,5...2000 мин"1.

Испытания пластичного смазочного материала проводили в течение более 1500 ч., температуре внешней среды +12...24°С.

В результате испытаний установлено, что ПСМ «Дон-3» обеспечивает работоспособность узлов трения технологического оборудования без длительной замены. При испытании отсутствовал шум и вибрации. После работы узла трения ПСМ «Дон-3» сохранил свое работоспособное состояние: не происходил синерезис масла из ПСМ, отсутствовало его уплотнение в зоне трения, отсутствовали видимые следы деструкции компонентов ПСМ «Дон-3».

На основании проведенных испытаний ПСМ «Дон-3» сделан вывод о возможности его внедрения в узлах трения металлорежущего, прессового, оборудования.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании концепции о создании фрактальных нанокластеров порошковых загустителей разработана технология получения ПСМ, механизм смазочного действия которых отличается тем, что в трибосопряжениях фрактальные нанокластеры сажи с адсорбированным порошком политетрафторэтилена образуют слоистые (ламелярные) пленки сажи, обеспечивающие легкость скольжения между слоями. Смешанные олигоорганосилоксаны с минеральными или синтетическими маслами дополнительно обеспечивают смазочное действие слоев, улучшая триботехнические свойства ПСМ.

2. Разработан способ получения и составы ПСМ, содержащие смешанные олигоорганосилоксаны с минеральными или синтетическими маслами, загущенные структурированными нанопорошками сажи и политетрафторэтилена для использования в узлах трения в интервале температур от -60 до +180°С.

3. Методом планирования эксперимента установлен оптимальный состав ПСМ типа «Дон».

4. Предложенный метод улучшения смазочных свойств ПСМ, позволяет повысить долговечность узлов трения технологического оборудования в 1,5... 1,6 раза.

5. Разработаны методики экспресс-оценки смазочных материалов на машинах трения СМЦ-2, четырехшариковой, торцевой, позволяющие эффективно оценивать антифрикционные, противоизносные, противозадирные свой-

ства смазочных материалов и обеспечивать испытание смазочных средств с начальным точечным и последующим переменным контактом.

6. Разработана комплексная методика исследования нанопленок, генерируемых из ПСМ, на торцевой машине трения, сканирующем электронном микроскопе Quanta 200, атомно-силовом микроскопе HV Solver, позволяющая определять их состав, исследовать топографию и распределение сил трения по поверхности пленок.

7. Разработана опытно-промышленная технология получения ПСМ, содержащих нанокластеры порошковых композиций.

8. Даны рекомендации по внедрению разработанных ПСМ типа «Дон» в узлах трения металлорежущего, прессового оборудования, транспортных, транспортно-технологических машин и комплексов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Шульга Г.И. Методика исследования смазочных материалов на машине трения СМЦ-2 при трении пары вращающийся цилиндр — неподвижный тор/ Г.И. Шульга, Н.И. Бессарабов, Е.В. Скринников // Изв. вузов. Сев,-Кавк. регион. Техн. науки. - 2005. - № 4. - С. 58-62, всего 0,5 пл., в том числе автора 0,2 п.л.

2. Смазочные свойства пластичных смазочных материалов со структурированными нанопорошковыми загустителями / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, А.О. Колесниченко [и др.] // Вестник РГУПС. - 2011. - № 4 (44). -С. 108-115, всего 0,5 п.л., в том числе автора 0,2 п.л.

3. Шульга Г.И. Смазочное действие олигоорганосилоксановых жидкостей, используемых в качестве дисперсионных сред пластичных смазочных материалов / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Т.Г. Шульга // Вестник ДГТУ. -2012. -№ 2, вып. 2. - С. 94-102, всего 0,93 п.л., в том числе автора 0,33 п.л.

4. Функциональные технологические смазочные материалы структурированные нанопорошками цветных металлов, для повышения эффективности обработки деталей транспортных средств / Г.И. Шульга, А.О. Колесниченко, Е.В. Скринников [и др.] // Вестник ДГТУ. - 2011. - № 10 (61). - С. 18671873, всего 0,82 п.л., в том числе автора 0,21 п.л.

Другие научные издания:

5. Шульга Г.И. Экспресс-оценка смазочных свойств смазочных материалов на машине трения СМЦ-2 при повышенных контактных нагрузках / Г.И. Шульга, Н.И. Бессарабов, Е.В. Скринников // Студенческая научная весна - 2005 : сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж,-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2006. - С. 231-235, всего 0,13 п.л., в том числе автора 0,044 п.л.

6. Шульга Г.И. Синергизм смазочного действия олигоорганосилоксановых жидкостей при компаундировании с совместимыми добавками / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Н.С. Арсеньева // Проблемы трибоэлектрохимии : материалы Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 16-19 мая 2006 г. /

Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск ЮРГТУ, 2006. - С. 231-235, всего 0,26 п.л., в том числе автора 0,13 п.л.

7. Шульга Г.И. Пластичные смазочные материалы на основе компаундированных дисперсионных сред / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Н.С. Арсеньева // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 2 нояб. 2006 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2007. - С. 29-31, всего 0,13 п.л., в том числе автора 0,044 п.л.

8. Шульга Г.И. Триботехнические свойства компаундированной полиэтилор-ганосилоксановой жидкости с минеральными маслами / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Н.С. Арсеньева // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 2 нояб. 2007 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2007. - С. 31-33, всего 0,14 п.л., в том числе автора 0,047 п.л.

9. Шульга Г.И. Сравнительные испытания дисперсионных сред пластичных смазочных материалов / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников // Студенческая научная весна - 2007 : сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2007. - С. 98-99, всего 0,07 п.л., в том числе автора 0,035 п.л.

10.Шульга Г.И. Исследование нанопорошков сажи и политетрафторэтилена, применяемых в качестве загустителя пластичных смазочных материалов / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Н.С. Арсеньева // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике : материалы VII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 3 нояб. 2008 г. / Юж-Рос.гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2008. -С. 20-25, всего 0,31 п.л., в том числе автора 0,15 п.л.

11.Наноинженерия водорастворимых технологических смазочных средств для механической обработки материалов / Г.И. Шульга, А.О. Колесниченко, Е.В. Скринников [и др.] // Современные методы в теоретической и экспериментальной трибоэлектрохимии : тез. докл. I Междунар. науч. конф. 23 — 27 июня 2008 г., Плес, Ивановская обл. / Иванов, гос. хим.-технол. ун-т. - Плес,

2008. - С. 138, всего 0,06 п.л., в том числе автора 0,015 п.л.

12.Наноинженерия смазочных материалов для повышения эффективности механической обработки деталей, долговечности трибосопряжений узлов транспортных средств и систем / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, А.О. Колесниченко [и др.] // Прогресс транспортных средств и систем - 2009 : материалы Междунар. конф., 13-15 октября 2009 г., г. Волгоград. - Волгоград,

2009. - С. 212-213, всего 0,06 п.л., в том числе автора 0,015 п.л.

13.Шульга Г.И. Исследование смазочных свойств пластичного смазочного материала ПСМ-1, используемого в трибосопряжениях автомобилей / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике : материалы VIII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 5 нояб. 2009 г. / Юж-Рос. гос.

техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2009. - С. 90-96, всего 0,41 п.л., в том числе автора 0,25п.л.

14.Влияние наноструктурирования водорастворимых технологических смазочных материалов на повышение механической обработки / Г.И. Шульга, А.О. Колесниченко, Е.В. Скринников [и др.] // Современные методы в теоретической и экспериментальной трибоэлектрохимии : тез. докл. II Между-нар. науч.-техн. конф. 21-25 июня 2010 г., Плес, Ивановская обл. // Иванов. гос. хим.-технол. ун-т. - Плес, 2010. - С. 270, всего 0,06 п.л., в том числе автора 0,015 п.л.

15.Шульга Г.И. Влияние наноструктурированных компонентов на смазочные свойства пластичных смазочных материалов / Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Т.Г. Шульга // Трибология — машиностроению : тез. докл. науч.-техн. конф. с участием иностранных специалистов, посвященная 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущова, 7-9 декабря 2010 г., г. Москва. -Москва, 2010. - С. 86 - 87, всего 0,06 п.л., в том числе автора 0,015 п.л.

16. Методы получения нанопорошков для их применения в твердых композиционных смазочных материалах и покрытиях / Г.И. Шульга, Е.А. Брюховец-кий, Е.В.Скринников [и др.] // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 19 нояб. 2012 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2012. - С. 44-54, всего 0,56 п.л., в том числе автора 0,15 п.л.

— Скринников Евгений Валерьевич

УЛУЧШЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОБАВКАМИ НАНОКЛАСТЕРОВ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Автореферат

Подписано в печать 05.07.2013. Формат 60х84'/1б . Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 46-668.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Отпечатано в ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ (НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ)»

На правах рукописи

04201362280

СКРИННИКОВ Евгений Валерьевич

УЛУЧШЕНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОБАВКАМИ НАНОКЛАСТЕРОВ ПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.02.04 - «Трение и износ»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, профессор

Г. И. ШУЛЬГА

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................................5

1. ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН, МЕХАНИЗМОВ, ПРИБОРОВ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ........................................................... 11

1.1. Влияние пластичных смазочных материалов на долговечность

узлов трения .................................................................................................................11

1.2. Факторы, влияющие на долговечность пластичных смазочных материалов в узлах трения ....................................................................................16

1.3 Дисперсионные среды пластичных смазочных материалов ..........................18

1.3.1. Нефтяные масла.....................................................................................................19

1.3.2. Синтетические масла............................................................................................20

1.3.3. Растительные масла..............................................................................................26

1.4. Дисперсные фазы пластичных смазочных материалов ..................................29

1.4.1. Мыльные загустители.........................................................................................29

1.4.2. Неорганические загустители.............................................................................30

1.4.3. Органические загустители................................................................................ 32

1.5. Наполнители для пластичных смазочных материалов..................................... 34

1.6. Нанодобавки и нанотехнологии для улучшения триботехнических свойств пластичных смазочных материалов.........................................................37

1.7. Цели и задачи исследований...................................................................................... 41

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЗРАБОТКИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДИКИ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ................................43

2.1. Научные основы разработки пластичных смазочных материалов, содержащих фрактальные кластеры........................................................................ 43

2.2. Смазочное действие дисперсионных сред пластичных смазочных материалов.........................................................................................................................48

2.3. Физико-химические свойства саж .........................................................................50

2.4. Физико-химические свойства политетрафторэтилена ..................................60

2.5. Методики исследований пластичных смазочных материалов на

СМЦ-2, торцевой, четырехшариковой машинах трения..................................64

2.6. Методика электронно-микроскопических и ИК-спектроскопических исследований дисперсионных сред пластичных смазочных материалов..........................................................................................................................74

2.7. Методики электронно-микроскопических исследований

порошковых загустителей, поверхностей трения ..............................................75

2.8. Планирование и обработка результатов эксперимента....................................77

2.9. Выводы по главе 2..........................................................................................................83

3. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ СИНЕРГИЗМА СМАЗОЧНЫХ СВОЙСТВ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ДОБАВКАМИ НАНОПОРОШКОВЫХ ЗАГУСТИТЕЛЕЙ........................................................... 85

3.1. Исследование смазочного действия олигоорганосилоксанов ..........................85

3.2. Исследование термоокислительной деструкции олигоорганосилоксанов ...............................................................................................93

3.3. Электронно-микроскопические исследования нанопорошков сажи, политетрафторэтилена................................................................................................. 95

3.4. Исследование атомно-силовой микроскопией пленок, генерируемых в трибосопряжениях, при смазывании пластичными смазочными материалами ......................................................................................................................99

3.5. Механизм смазочного действия пластичных смазочных материалов..........106

3.6. Выводы по главе 3..........................................................................................................107

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРАБОТАННЫХ

ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.............................................107

4.1. Подтверждение синергизма смазочного действия смешанных дисперсионных сред .....................................................................................................107

4.2. Влияние нанопорошковых добавок на смазочные свойства пластичных смазочных материалов..................................................................................................112

4.3. Сравнительные испытания пластичных смазочных материалов .................113

4.4. Выводы по главе 4......................................................................................................... 114

5. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С НАНОПОРОШКОВЫМИ ЗАГУСТИТЕЛЯМИ..............................................115

5.1. Ресурсные испытания пластичных смазочных материалов............................ 115

5.2. Технология получения пластичных смазочных материалов с добавками нанокластеров порошковых композиций...............................................................117

5.3. Физико-химические свойства пластичных смазочных материалов............. 118

5.4. Промышленные испытания разработанных пластичных смазочных материалов на предприятии ЗАО «Ростовгазоаппарат»....................................119

5.6. Выводы по главе 5...........................................................................................................120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................................................................ 122

ЛИТЕРАТУРА.........................................................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................................... 145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Важной задачей современной промышленности является создание наноиндустрии, основной номенклатурой которой являются наноструктурированные материалы, изделия из них, наноэлектроника.

В России сосредотачиваются усилия на разработку и применение наноструктурированных материалов первого поколения: смазочные материалы, добавки к топливам, композитные материалы, защитные и упрочняющие пленки, косметика, лекарственные препараты, текстильные материалы, катализаторы, мембраны, краски, упаковочные материалы, детекторы, сенсоры и др.

Учитывая мировые и отечественные тенденции по разработке наноструктурированных материалов и изделий из них, разрабатываются нанотехнологии порошковых структурированных пластичных смазочных материалов с заданными свойствами.

В современном машиностроении для повышения долговечности узлов трения, механизмов, приборов, технологического оборудования применяются пластичные смазочные материалы (ПСМ), в которых в качестве дисперсионной среды используют минеральные масла, а в качестве дисперсной фазы -различные мыла, а также тонкодисперсные органические и неорганические вещества. ПСМ на основе минеральных масел обладают хорошими противоизносными и антифрикционными свойствами, но не обеспечивают длительную работу трибосопряжений в широком температурном интервале. ПСМ на основе синтетических масел работоспособны в интервале высоких температур, но обладают недостаточно высокими смазочными свойствами.

В настоящее время актуальной является проблема создания ПСМ для машин, механизмов, приборов и технологического оборудования, работающих в широком интервале температур и нагрузок и обеспечивающих длительную работу узлов трения.

Основанием для выполнения настоящей работы является Межвузовская научно-техническая программа «Перспективные материалы» (тема 95/17 ф); Постановление Правительства РФ от 02. 08. 2007 г. № 498 Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 -2011 годы».

Цель работы:

Целью диссертационной работы является повышение долговечности узлов трения машин, механизмов, приборов, технологического оборудования, разработкой пластичных смазочных материалов на основе олигоорганосилоксановых жидкостей, смешанных с минеральными маслами или синтетическими жидкостями, с использованием в качестве загустителей структурированных нанометрических кластеров порошковых материалов.

Задачи исследования:

1. Разработать физическую модель механизма смазочного действия ПСМ в трибосопряжениях на основании концепции о фрактальных нанокластерах порошковых загустителей, обеспечивающих образование слоистых (ламеллярных) пленок; дисперсионных сред, представляющих собой смеси олигоорганосилоксановых жидкостей с минеральными или синтетическими маслами, реализующих синергизм смазочного действия и улучшающих смазочные свойства ПСМ.

2. Исследовать механизм смазочного действия олигоорганосилоксановых жидкостей.

3. Исследовать механизм смазочного действия смешанных олигоорганосилоксановых жидкостей с минеральными маслами или синтетическими жидкостями.

4. Разработать методики экспресс-оценки триботехнических свойств ПСМ на машине трения СМЦ-2, четырехшариковой машине трения, торцевой машине трения для исследования масел с низкой смазочной способностью.

5. Разработать комплексные методики исследования состава и триботехнических свойств нанопленок, генерируемых из смазочной среды, на торцевой машине трения и атомно-силовом микроскопе HV Solver.

6. Исследовать смазочное действие ПСМ.

7. Разработать технологии производства и использования ПСМ.

8. Определить физико-химические свойства ПСМ.

Основные положения выносимые на защиту:

Автор защищает научно- и экспериментально обоснованную технологию получения ПСМ на основании концепции о фрактальных структурированных нанопорошковых загустителях - нанокластерах сажи и политетрафторэтилена, обеспечивающих образование слоистых пленок в трибосопряжениях. Теоретическое и экспериментальное обоснование положения о синергизме смазочного действия при формировании на контактирующих поверхностях смазочных слоев, состоящих из смеси олигоорганосилоксанов и синтетических или минеральных масел и структурированных загустителей, что позволяет повысить нагрузочную и смазочную способность ПСМ и обеспечить длительную работу трибосопряжений в широком интервале температур. Научная новизна:

Высказано положение о фрактальных нанокластерах порошковых загустителей, синергизме смазочного действия ПСМ на основе смесей олигоорганосилоксанов с синтетическими или минеральными маслами, загущенных структурированными органическими загустителями, отличающаяся тем, что при введении синтетических или минеральных масел в олигоорганосилоксаны происходит адсорбция синтетических, минеральных масел между молекулами олигоорганосилоксанов и образование на контактирующих поверхностях граничных слоев высокой смазочной способности, препятствующих непосредственному контактированию сопряженных поверхностей и механической деструкции олигоорганосилоксанов.

При загущении смешанных дисперсионных сред структурированными нанопорошковыми сажей и политетрафторэтиленом и их адсорбции на

контактирующих поверхностях образуются дополнительные слоистые пленки с адсорбированными на них молекулами дисперсионной среды, что препятствует непосредственному контактированию трибосопряжений, развитию механоокислительной деструкции молекул олигоорганосилоксанов, улучшает смазочное действие таких пленок и обеспечивает длительные ресурсы работы узлов трения без замены ПСМ.

Теоретическая значимость работы. Концепция о создании фрактальных структурированных порошковых загустителей и синергизме смазочного действия олигоорганосилоксанов в смеси с синтетическими или минеральными маслами позволяет разрабатывать технологию получения ПСМ, генерирующих пленки в трибосопряжении и улучшающих смазочное действие ПСМ.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны составы, способ и технология получения ПСМ на основе концепции о фрактальных нанокластерах, включающих смешивание синтетических или минеральных масел, загущение их структурированными нанопорошковыми сажей и политетрафторэтиленом, что позволяет повысить надежность и долговечность узлов трения машин, механизмов, приборов в 1,5... 1,6 раза.

2. Разработана физическая модель механизма смазочного действия ПСМ на основе олигоорганосилоксанов, смешанных с синтетическими или минеральными маслами, загущенных структурированными нанометрическими кластерами сажи и политетрафторэтилена.

3. Разработаны методики экспресс-оценки смазочных материалов на машине трения СМЦ-2, торцевой машине трения, позволяющие оценивать антифрикционные и противоизносные свойства смазочных материалов.

4. Разработана комплексная методика исследования нанопленок, генерируемых из ПСМ, на торцевой машине трения и атомно-силовом микроскопе НУ Solver.

5. Разработаны рекомендации по внедрению ПСМ в узлах трения металлорежущего, прессового, оборудования, машин, механизмов, приборах автомобильного транспорта.

Реализация результатов работы.

Пластичные смазочные материалы типа «Дон» прошли промышленные испытания и внедрены в узлах трения технологического оборудования на предприятии ЗАО «Ростовгазоаппарат», г. Ростов-на-Дону.

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, внедрения в производство докладывались на: научных семинарах кафедры «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения» ФГБОУ ВПО «ЮРГТУ (НПИ») 2004-2013 г.; IV Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2005 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы трибоэлектрохимии», г. Новочеркасск 2006 г.; VI Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2007 г.; VII Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике», г. Новочеркасск 2008 г.; научно-технических конференциях студентов и аспирантов ЮРГТУ (НПИ) «Студенческая научная весна - 2004», «Студенческая научная весна - 2005», «Студенческая научная весна - 2007», «Студенческая научная весна -2008», «Студенческая научная весна-2009»; I Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» 23-27 июня 2008 г., г. Плес, Ивановская обл.; Международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2009», 13 - 15 октября 2009 г., г. Волгоград; II Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» 21-25 июня 2010 г., г. Плес, Ивановская обл.; Научно-технической конференции с участием иностранных специалистов «Трибология - машиностроению», посвященная 120-летию выдающегося триболога М.М. Хрущова, 7-9 декабря

2010 г., г. Москва; XI Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике, г. Новочеркасск, 2012 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 185 наименований, приложения на трех страницах. Содержит 148 страниц печатного текста, 35 рисунков и 15 таблиц.

1. ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УЗЛОВ ТРЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ МАШИН, МЕХАНИЗМОВ, ПРИБОРОВ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

1.1. Влияние пластичных смазочных материалов на долговечность ^ узлов трения

Антифрикционные пластичные смазочные материалы (ПСМ) применяют для повышения долговечности узлов трения автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных, дорожных и землеройных, электрических машин, железнодорожного транспорта, авиации, индустриальных, точных механизмов, приборов. Расширение областей применения ПСМ при неизменном объеме производства ПСМ обеспечивают улучшением их эксплуатационных свойств, и ч в первую очередь, повышением долговечности их использования [1-17]. В связи

с дальнейшим ростом и снижением металлоемкости конструкции узлов трения предполагается ужесточение условий работы в них ПСМ: расширение температурного режима, рост контактных нагрузок и скоростей, вибрационных нагрузок с одновременным уменьшением размеров подшипниковых узлов и полостей, в которые закладываются ПСМ.

Резервом уменьшения трудозатрат при эксплуатации техники является использование уменьшения необходимого объема технического обслуживания на операциях замены ПСМ и ремонта узлов трения [1-17], безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе [18]. Наиболее прогрессивным требованием к ПСМ является обеспечение работы трибосопряжений машин в течение всего ресурса работы" без замены и пополнения в них ПСМ.

Главной целью применения ПСМ в уз�