Эффект смазочного действия графита определяется тем, что молекулы воды, содержащейся в воздухе, сорбируются в межплоскостных промежутках и еще больше ослабляют межплоскостные связи. Поэтому смазочные свойства графита слабо проявляются в вакууме и при температуре более 100ºС. При отсутствии влаги коэффициент трения поверхностей, разделенных графитовой прослойкой, достигает 0,3, в то время как при наличии сорбированной влаги он составляет примерно 0,05. Это обстоятельство ограничивает использование графита. Однако графит хорошо заполняет технологические неровности микропрофиля поверхности трения, образуя гладкую зеркальную поверхность, поэтому в общем машиностроении нашел широкое применение для смазки сухих резьбовых соединений, канатов, поджимных сальниковых набивок, в качестве добавки в трансмиссионные масла и т.д.
По данным [Г.П.П]: Скорость относительного скольжения мало влияет на коэффициент трения графита, в то время как удельная нагрузка оказывает на него существенное воздействие. При увеличении удельной нагрузки до 450-500 Н/мм2 коэффициент трения быстро уменьшается (примерно до 0,03). При дальнейшем увеличении нагрузки коэффициент трения начинает возрастать, изнашивание становится более интенсивным. Большое значение имеет материал трущихся деталей. Большое значение имеет материал трущихся деталей, где особое значение имеет оксидная пленка, которая чем прочнее, тем лучше работает графит. Например, износ по меди в 18 раз больше, чем по хрому, что является одной из причин быстрого изнашивания щеток электродвигателей и генераторов.
1.4 Дисульфид молибдена
MoS2, как и графит имеет, гексагональное строение. Атомы молибдена связаны друг с другом прочными химическими связями вдоль сторон правильных шестиугольников. Атомы серы тоже химическими связями соединены с атомами молибдена и образуют разветвленную объемную структуру, отделяя соседние слои атомов молибдена друг от друга. Между атомами серы соседних слоев реализуются слабые Ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а следовательно, вдоль границы раздела прослоек атомов серы реализуется низкое сопротивление сдвигу. Влага в данном случае не играет роли, поэтому дисульфид молибдена используется для смазки узлов, работающих в экстремальных условиях: в высоком вакууме при температуре до 1000 ºС. Однако на воздухе начинается процесс окисления уже при температуре 350 оС.
По данным [Г.П.П] коэффициент трения с увеличения удельной нагрузки уменьшается, достигая 0,02 при 2800 МПа.
1.5 Дополнительные функции смазочного материала в узле трения
Помимо разделения сопряженных поверхностей и снижения трения смазка параллельно может обладать дополнительными функциями:
- Отвод тепла от сопряженных поверхностей
Эта функция в полном объеме возможна только жидким смазочным материалам, пластичным – только с системой циркуляционной смазки. В том и другом случаях тепло передается перемещающимся смазочным материалом от более нагретых поверхностей трения к окружающим холодным стенкам, тем самым, останавливая деформацию и разрушение.
- Защита поверхности металла от атмосферной коррозии
Функция характерна для смазочного материала с длительным сроком работы и хранения. Например, антифрикционные смазки, моторные масла, индустриальные масла с присадками АКОР для межоперационной защиты на металлообрабатывающих предприятиях.
Иногда возлагают на смазки функцию защиты узла трения от попадания пыли и воды из окружающей среды. Целесообразность предъявления к смазкам таких требований представляется весьма сомнительной. В силу своих физико-химических свойств, смазка способна накапливать в себе частицы пыли (иногда и влагу), вызывая ускоренный износ деталей, поэтому проблему защиты от попадания в узел трения веществ из внешней среды ведут конструкционным путем.
2.1 Испытания смазочных материалов
Решая практическую задачу выбора исходных компонентов при создании новой смазки необходимо: изучить данные физико-химических свойств по уже выпускаемым смазочным материалам, а затем на основе сравнительного подхода провести эксперименты по изучению свойств разрабатываемого материала. При этом нужно учитывать, что результаты оценки физико-химических свойств, сравниваемых смазок, получаются, как правило, противоречивыми.
Лабораторные методы испытаний смазочных разделяют:
1) Прямые (на специальных маслоиспытательных машинах и приборах в условии трения твердых тел);
2) Косвенные (смазочные действия оценивается различными физико-химическими параметрами без воспроизведения трения между смазочными поверхностями).
Прямые триботехнические испытания смазочных материалов включают оценку противоизносных, противозадирных и антифрикционных свойств на лабораторных приборах или установках с испытательными образцами геометрической формы (плоскости, цилиндры, сферы), на имитирующих машинах или специально изготовленных аналогичным деталях (зубчатые колеса, детали поршневой группы двигателя внутреннего сгорания, подшипники скольжения или качения) и непосредственно в реальных узлах машин и механизмов в условиях эксплуатации.
При испытании на машинах в условиях эксплуатации на получаемые результаты, помимо основных параметров (относительной скорости движения трущихся поверхностей, давления, температуры) оказывают влияние условия работы машины (наличие частых остановок и пусков, переменность нагрузки и скорости, наличие влаги и других коррозионных агентов, а также абразивных частиц в окружающей среде и др.). В этих условиях трудно выделить наиболее важный параметр, оказывающий определяющее влияние на поведение смазочного материала. Для уменьшения этих влияний испытания должны быть длительными и проводиться на нескольких однотипных машинах, на что требуется много времени и средств. Поэтому в большинстве случаев эксплуатационные испытания применяют для окончательной проверки оптимальных смазочных материалов, отобранных в результате серии лабораторных и стендовых испытаний.
Стендовые испытания на имитирующих машинах позволяют определять трибологические характеристики смазочных материалов в условиях трения реальных деталей машин и механизмов при контроле всех влияющих параметров. Однако испытания на имитирующих машинах длительны и дорогостоящи и применяют в основном для определения противозадирных и противоизносных свойств масел для зубчатых колес, комплексного испытания моторных масел на одно- и многоцилиндровых установках, стендах для испытания подшипников.
В отличие от испытаний смазочных материалов в условиях эксплуатации и на стендах лабораторные испытания не требуют больших затрат времени, они в большей мере позволяют изменять основной параметр, оказывающий влияние на трибологические характеристики смазочных материалов. Условия испытания отличаются от действительных в реальных машинах, однако преимущества лабораторных испытаний способствуют их широкому применению, особенно для разработки новых присадок и смазочных композиций.
Самыми распространенными машинами являются прибор «вращающийся ролик – частичный вкладыш», машина Олмен – Виланд, машина Фалекс, машина Шкода – Савина, машина SAE, четырех шариковые машины трения.
Косвенными методами являются изучение физико-химических свойств систем: определение краевого угла смачивания, поверхностного натяжения, коллоидной стабильности систем, контактной разности потенциалов, электродного потенциала, измерения теплоты адсорбции [3,6].
Экспериментальная часть
Оборудование и реактивы
При исследовании физико-химических и трибологических свойств минеральных масел с антифрикционными добавками использовали следующие реактивы и оборудование:
1 Графит
2 Дисульфид молибдена
3 Масло И-20А
4 Лаурилсульфат натрия
5 Торсионные весы с чашечкой
6 Стакан химический объемом 1, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05 дм3
7 Мешалка с нагревательным элементом
8 Секундомер
9 Линейка
10 Ареометры
11 Весы технические
12 Весы аналитические
13 Бюретка
14 Термометр
15 Воронка
16 Цилиндр мерный объемом
17 Штатив
18 Муфельная печь
19 Тигель фарфоровый
20 Двухкоординатная машина трения
21 Ультразвуковая ванна SindyEltrosonicUltracleaner
22 Спирт
23 Машина трения SRV – IIITestSystem
24 Криостат HAAKEPhoenixIIP1 С75Р
25 Персональный компьютер
26 Дистиллированная вода
27 Образцы для испытания из стали 40Х13
28 Держатель-ножницы
2.2 Исследование физико-химических свойств масел с антифрикционными добавками на основе графита и дисульфида молибдена
2.2.1 Определение дисперсности графита и дисульфида молибдена
Дисперсность системы, величина обратная размеру частиц, одна из важнейших физико-химических величин, оказывающая влияние на несколько параметров в системе: коллоидную стабильность, адсорбцию твердых частиц.
Коллоидная стабильность – величина, показывающая свойство не выделять жидкое масло (основы) в течение длительного времени. Расслоение смазочного материала способствует когезии частиц твердой фазы, при этом значительно снижаются первоначальные свойства и смазка становится не пригодной к использованию. Коллоидная стабильность характерна только для смазочных материалов с нерастворимыми в масле антифрикционными добавками.
Скорость адсорбции прямопропорциональна удельной площади частиц, следовательно чем выше дисперность частиц, тем образование прочной модифицирующей пленки происходит быстрее, а значит процессы износа и изнашивания будут происходит медленнее.
Для определения дисперсности и скорости оседания частиц мы использовали метод седиментационного анализа. Метод позволяет определить распределение частиц по размерам и соответственно подсчитать их удельную поверхность. Седиментационный метод анализа дисперсности в гравитационном поле применим для анализа микрогетерогенных в интервале от 1 до 100 мкм, которому соответствуют суспензии, эмульсии, порошки.