Фуллероидные наномодификаторы смазочных материалов в трибоспряжениях.

22.07.2008
Для уменьшения процесса изнашивания контактирующих поверхностей и снижения величины сил трения в трибосопряжениях применяются разные смазывающие материалы. Смазывание применяется в технологических процессах механической обработки, связанной с удалением части материала резанием, как лезвийной, так и абразивной.

Поэтому СМ должны обладать свойствами, адаптированными к конкретному процессу трения: величинам удельной и полной нагрузки в зоне трения; максимальной, средней и объемной температуры; характеру трения в зоне контакта (трение качения, скольжения или смешанное трение); физико-химическими характеристикам материалов пары трения; технологическим и эксплуатационным показателям параметров качества; свойствам окружающей среды и др. Для улучшения работы трибосопряжения с использованием СМ применяются активные препараты (АП) . Оправдано разделение АП: по структуре входящих в их состав активных составляющих; свойствам и характеру действия, основным активным компонентам, оказывающим воздействие на поверхности трения деталей машины. Наиболее перспективными наномодификаторами смазочных и антифрикционных материалов в настоящее время являются наномодификаторы карбонной группы - фуллероидные материалы. Что убусловлено набором физико-химических свойств присущих этой новой алотропной модификации углерода в которой химическая связь углерода представлена смешанным характером гибритизации (Sp2 - Sp3) [3]. Многофункциональное воздействие фуллереновых материалов в зоне трения обеспечивается эффектом, связанным со снижением температуры в зоне трения, поскольку ФН обладают высокой теплопроводностью и способностью к формированию собственной сетки на поверхности (см. рис.2). Следствием снижения температуры в зоне трения является сохранение физико-химических и физико-механических характеристик, как смазочной среды, так и поверхностей трения материалов. Из-за повышенной сорбционной способности ФН к углеводородам они способны удерживать оболочку из адсорбированных молекул компонентов смазки и доставлять их в зону трения, когда наступает истощение их в зоне трибоконтакта из-за десорбции с металлической поверхностью при повышении температуры. Таким образом, происходит предотвращение адгезионного изнашивания трущихся металлических поверхностей. Влияние на рабочие поверхности пар трения. Необычное электронное строение, наличие электронной оболочки из делокализованных р-электронов и высокая нескомпенсированная поверхностная энергия предопределяют способность заращивать структурные дефекты поверхностного слоя металлов в трибоконтакте, повышая его поверхностную прочность. Скольжение дислокаций в приповерхностной зоне обеспечивает повышение пластичности и текучести, что приводит к большей устойчивости трибопары к схватыванию.

Снижение разрушения материала из-за водородного охрупчивания. В процессе работы углеводородного материала в результате его деструкции в объеме масла накапливается водород способный, адсорбируясь на поверхности металла, диффундировать в его объем; при этом резко снижаются механические свойства материала. Подготовленные специальным образом фуллероидные материалы способны конкурировать в отношении сорбции водорода с металлом, причем сорбционная способность их на порядки выше. Тем самым возможна протекторная защита металла в трибоконтакте от водородного воздействия. На этапе приработки воздействие наномодификатора способно существенно снизить время достижения равновесной шероховатости за счет быстрого микроабразивного износа рабочих поверхностей. Это приводит к снижению времени воздействия повышенной температуры на локальных температурных вспышек приводящих к деструкции СМ. Присутствие ФН в СМ способствует снижению абразивного износа, обусловленного появлением твердых оксидов металла в трибосопряжениях. Оксиды образуются из-за присутствия молекулярного кислорода в СМ. Однако ФН является хорошим сорбентом О2 , причем сорбция носит характер химсорбции, которая в зоне трибоконтакта при максимальных температурах завершается реакцией С + О2 ® СО2, что приводит к общему снижению О2 в объеме масла, и, как следствие, к замедлению роста оксидных пленок до толщин, способных к самоотслоению из-за различия в коэффициенте термического расширения. Уменьшение кавитационного износа. Наночастицы, являясь центрами возникновения кавитационных пузырей, воспринимают энергию кавитационного удара и, в силу своей термобароустойчивости и особенностей строения электронной оболочки, аккумулируют её в виде возбужденных состояний электронов. В последующем диссипация этой энергии происходит за счет испускания низкоэнергитичных фононов, не способных вызвать разрушение материала трущихся поверхностей или молекул смазки. Увеличение поверхностной прочности и микротвердости в трибоконтакте за счет закрепления дислокаций в материале трущихся поверхностей на расстояниях, соответствующих размерам наночастиц, - т. е. создание стабильной "сетки" взаимодействующих дислокаций, что приводит к резкому увеличению прочности материала. Износ протекает по зернам без вырывов и образования дефектов. Создание стабильной "вторичной структуры", поскольку размер частиц как раз совпадает с толщиной микрозоны упруго - пластичной деформации - 10 ….100 Нм. Кроме этого уменьшается вероятность "схватывания" трущихся поверхностей за счет:

- быстрой сорбции на возникающих участках ювенильной поверхности частиц, обладающих большой нескомпенсированной поверхностной энергией, и, как следствие, уменьшение вероятности встречи двух участков ювенильной поверхности; - препятствования гомогенизации среды между трущимися поверхностями, которая приводит к возникновению контакта сразу на большой площади (отсутствует эффект "слипания" поверхностей в процессе полировки при чрезмерном измельчении абразива); так как наночастицы обладают экстремально высокой прочностью и не подвергаются измельчению в трибоконтакте; - создание "слоёв скольжения" - поскольку полидисперсные фуллероидные наночастицы не притерпевают структурные изменения даже при сверхвысоких давлениях, а также препятствуют соединению частиц металла.

Наблюдается изменение свойств жидкой фазы смазки:

1. - увеличение текучести в капиллярных слоях за счет пассивации поверхности; 2. - увеличение давления, необходимого для разрыва масляной пленки за счет упругих свойств сетки наночастиц, возникающей на поверхности трибоконтакта; 3. - предотвращение деструкции молекул масла за счет поглощения высокоэнергитичных фононов, возникающих при микровспышках температуры вследствие соприкосновения неровностей трущихся поверхностей и последующего испускания низкоэнергетичных фононов, неспособных вызвать деструкцию молекул масла. Выше изложенные положения отчасти являются эвристическими, поскольку требуют дополнительной инструментальной оценки тонкими физическими методами. Однако основные моменты нашли подтверждение в результате оценки триботехнических характеристик пар трения на стендах, а также при оценке параметров качества поверхностей трения, металлографических исследованиях проводимые на измерительно-вычислительных комплексах.

Источник: www.rusekotrans.ru

Метки: наука