Химические основы конструирования металлоплакирующих смазок Курс лекций 34

Химические основы конструирования металлоплакирующих смазок Курс лекций: 34 часа (2*17) Лабораторный практикум: 16 часов (4*4) Лекция 1. «Основные понятия о металлоплакировании, трении и износе, узлах трения и смазочных материалах» Лекцию читает: Лауреат Премии Президента РФ, Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Кужаров Александр Сергеевич

Календарный план лекции по курсу «Химические основы конструирования металлоплакирующих смазок» II семестр 2011 -2012 учебного года. Цикл ЕН. В. 2, специальность 210602 «Наноматериалы» . Лекции и консультации ведет: профессор Кужаров А. С. Число часов: в семестре 34; в неделю 2; консультаций в семестре – 3. № п/п Дата проведения лекций 1 13. 02. 2013. 20. 02. 2013 2 27. 02. 2013 06. 03. 2013 Наименование и содержание лекции Число часов Введение. Определения и терминология. Металлоплакирование – плакирование металлами. Основные понятия о трении и износе, узлах трения и смазочных материалах. Основные функции смазочного материала. Безызносность при трении. Методы и средства испытаний на трение и износ. 4 Механизм антифрикционного и противоизносного действия металлоплакирующих смазочных материалов - МПСМ (макро-, микро- и наноаспекты). Современные методы и результаты исследования зоны фрикционного контакта при использовании МПСМ. 4

Календарный план (продолжение) № п/п Дата проведения лекций Наименование и содержание лекции Число часов 3 13. 03. 2013 20. 03. 2013 Основные типы МПСМ: металлоплакирующие масла, пластичные смазки, самосмазывающиеся покрытия и материалы. Общая характеристика электронного строения, химического состава и дисперсности металлоплакирующих добавок. Растворимые и нерастворимые металлоплакирующие компоненты. 4 4 27. 03. 2013 03. 04. 2013 Классификация металлоплакирующих материалов по составу плакирующих компонентов. Металлоплакирующие пластичные смазки группы А. Реметаллизанты в автохимии. Влияние природы металла, его концентрации и дисперсности на триботехнические свойства МПСМ. 4 5 10. 04. 2013 24. 04. 2013 Механизм антифрикционного и противоизносного действия металлоплакирующих смазочных материалов - МПСМ (макро-, микро- и наноаспекты). Молекулярные механизмы смазочного действия в условиях ИП: трибокординация, трибовосстановление, автоколебания концентрации металла в МПСМ при трении. 6 6 08. 05. 2013 05. 06. 2012 Современные методы и результаты исследования зоны фрикционного контакта при использовании МПСМ. 10

Химические основы конструирования металлоплакирующих смазок Износ Трение Металлоплакирование Нанотехнологии Узлы трения Смазка

Введение. Терминология и определения. Металлоплакирование, плакирование металлами, от фр. plaquer – покрывать, накладывать, англ. cladding – в общем случае способы и технологии обеспечивающие: • послойное соединение металлов и сплавов с образованием многослойного материала (биметалл, триметалл и т. д. ); • восстановительный ремонт деталей машин; • функционализацию поверхности конструкционных материалов. В трибологии и триботехнике металлоплакирование: • начальная стадия в механизме избирательного переноса (ИП); • финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО); • причина эффективности, механизм действия и результат применения металлоплакирующих смазочных материалов и покрытий.

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ • • Работам по созданию металлоплакирующих смазочных материалов предшествовали исследования (1930 -40 -е гг. ) влияния на трение металлических трущихся пар пленок пластичных металлов (Pb, Sn и др. ), наносимых на их поверхность трения разными технологическими методами (Ф. Боуден, Д. Тейбор). Пленки, образующиеся при использовании металлоплакирующих смазочных материалов, отличаются по структуре от обычных металлов (полученных, например, восстановлением руд или гальванически), что придает этим пленкам высокие антифрикционные свойства и позволяет реализовать открытый в СССР (1956) эффект безызносности при трении. Последний достигается тем, что при работе узлов трения на трущихся поверхностях деталей из введенных в смазку металлсодержащих присадок формируется тонкая (толщиной от нескольких нанометров до 1 -2 микрометров), трудно поддающаяся окислению защитная металлическая пленка, называемая сервовитной (от лат. servo - охраняю, спасаю и vita - жизнь). Образование этой пленки при контакте сопряженных поверхностей обусловлено интенсивным обменом энергией и веществом между узлом трения и внешней (например, жидкой) средой, а также коллективным поведением ионов металла, из которых формируется пленка. На поверхности такой пленки, "рожденной" в режиме трения, вследствие циклических взаимодействий активных атомов с лигандами в составе смазки образуются и распадаются комплексные соединения. В результате процессы трения и износа образуют замкнутый цикл для металла и смазки. Наиболее распространены металлоплакирующие смазочные материалы, образующие медную сервовитную пленку.

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ • При образовании сервовитной пленки трущиеся поверхности взаимодействуют через мягкий и тонкий слой металла, благодаря этому площадь фактического. контакта поверхностей возрастает по сравнению с другими смазочными материалами в 10 -100 раз, и материалы сопряженных деталей испытывают только упругие деформации, что приводит к резкому уменьшению износа рабочих поверхностей. Образование пленок на поверхностях контакта при действии обычной (а) и металлоплакирующей (б) смазок: 1 -сталь; 2 -бронза; 3, 4 -соотв. оксидные и сервовитные пленки.

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ • • Металлоплакирующие пластичные с м а з к и (МПС) - мазеобразные материалы, один из перспективных видов антифрикционных смазок. Получают введением в жидкие нефтяные или синтетические масла наряду с загустителями (напр. , солями высших жирных кислот, силикагелем) присадок (0, 1 -10% по массе): порошков мягких металлов, сплавов, оксидов, солей, в том числе комплексных и металлорганических соединений. Главные области применения: тяжелонагруженные узлы трения в авиационном и автомобильном транспорте, прокатных станах и другом металлургическом, а также текстильном, швейном и обувном оборудовании.

МЕТАЛЛОПЛАКИРУЮЩИЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ М е т а л л о п л а к и р у ю щ и е м а с л а (МПМ) – истинные или коллоидные растворы металлоплакирующих присадок и (или) добавок в нефтяных или синтетических маслах. Применяют для смазки двигателей внутреннего сгорания, узлов трения станков, вентиляторов, насосов, редукторов, гидравлических систем промышленного оборудования. Металлоплакирующие с м а з о ч н о-о х л а ж д а ю щ и е ж и д к о с т и (МПСОЖ) - смеси средне- и высоковязких нефтяных масел и их 3 -10%-ные водные эмульсии (содержат также эмульгаторы - соли карбоновых или сульфокислот и стабилизаторы) с присадками (1, 5 -2%) растворимых солей или комплексных соединений металлов. Применяют при обработке металлов резанием или давлением.

Терминология «Трибология (от греч. τριβή – трение) наука и технология взаимодействия поверхностей, находящихся в относительном движении, а также связанные с этим явления и их практические следствия» Питер Джост Президент международного трибологического совета (Великобритания) «Доклад Джоста» комиссии Министерства науки и образования Великобритании, 9 марта 1966

Трибосистема (зона фрикционного контакта) P шероховатость V адсорбционный слой (10 нм) частицы износа смазка деформированный слой (100 -10000 нм) модифицированный слой (10 -100 нм) основной материал Особенности: открытость (синергетика), неравновесность (неравновесная термодинамика), неизотермичность (нелинейные уравнения)

Сила трения «Силу трения можно замечать всегда и повсюду, и ее надо поставить в ряду могущественнейших способов, при посредстве которых природа превращает один вид энергии в другой, постепенно заменяя их тепловыми. Эта сила обнаруживает свое влияние в самых разнообразных явлениях природы, возбуждая живой интерес ученых самых разных направлений. Знание законов трения необходимо и астроному, и физику, и физиологу, и технику. » -1883 г. Николай Павлович Петров 1836 - 1920

Энергетический баланс при трении

Классики трибологии Robert Hooke 1635 - 1703 Sir Isaac Newton 1643 - 1727

Классики трибологии Guillaume Amontons 1663 - 1705 Charles-Augustin de Coulomb 1736 -1806

Классический закон трения – закон Амонтона -Кулона μ = Fтр / N где: μ – коэффициент трения; Fтр – сила трения N – нормальная нагрузка

Коэффициент трения – константа или оператор Таблицы, в которых перечислены коэффициенты трения "стали по стали", "меди по меди" и прочее, всё это сплошное надувательство, ибо в них … мелочами пренебрегают, а ведь они-то и определяют значение μ. Трение "меди о медь" и т. д. – это на самом деле трение "о загрязнения, приставшие к меди". Р. Фейнман

Классики трибологии Heinrich Rudolf Hertz 1857 - 1894 Петр Александрович Ребиндер 1898 - 1972

Советские трибологи Академик РАН Борис Владимирович Дерягин 1902 - 1994 Академик РАН Александр Юльевич Ишлинский 1913 - 2003

Двучленный закон трения Б. В. Дерягина Физические процессы при сухом трение отражаются двучленным законом трения Дерягина, в котором помимо механического учитывается и межмолекулярное взаимодействие контактирующих тел, а коэффициент трения определяется как μ = F/(N + p 0 S), где p 0 - дополнительное к N давление, вызванное силами межмолекулярного взаимодействия трущихся тел; S-поверхность фактического контакта трущихся тел: из-за волнистости и шероховатости поверхностей трения фрикционный контакт никогда не бывает полным. Величина S зависит от N и скорости скольжения.

Советские трибологи Крагельский Игорь Викторович 1908 – 1989 Гаркунов Дмитрий Николаевич р. 1919

Молекулярно-механическая теория И. В. Крагельского Молекулярно-механическая теория (адгезионно-деформационная) определяет коэффициент трения как сумму молекулярной и механической составляющих: μ = τ0/p 2 + β + kαн(h/R)1/2 где: τ0, β - параметры, характеризующие сдвиговое сопротивление молекулярной связи; k = 0, 4 -коэффициент, характеризующий форму неровностей и распределение их по высоте; αн = 2. 2 α -коэффициент гистерезисных потерь; α - гистерезисные потери при одноосном нагружении; h/R относительное внедрение единичной неровности.

Вручение Д. Н. Гаркунову Золотой медали английского королевского общества инженеров-трибологов в посольстве Великобритании Москва, 2006 год

Избирательный перенос при трении При трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твёрдого раствора медного сплава на сталь и обратного её переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения.

Определение Гаркунова Д. Н. Вид фрикционного взаимодействия, характеризуе-мый в основном молекулярной составляющей силы трения. Возникает в результате протекания на поверхности химических и физико-химических процессов, приводящих к образованию систем авто компенсации износа и снижения трения. Наиболее характерна система образования защитной (сервовитной) плёнки, в которой реализуется диффузионно-вакансионный механизм деформации, протекающий без накопления дефектов, свойствен-ных усталостным процессам

Определение Полякова А. А. Избирательный перенос - вид трения, осуществляемый в основном как внутреннее трение в спонтанно возникающей металлической плёнке, которая образуется на поверхностях трения при определённых сочетаниях конструкционных и смазочных материалов. Эта плёнка повышает износостойкость поверхностей на два порядка и снижает силы трения на один порядок по сравнению с аналогичными условиями трения приграничной смазке. Для неё характерен нелинейный режим взаимодействия вакансий и дислокаций - вакансионнодислокационный механизм сдвига, задаваемый повышенной концентрацией вакансий при избирательном растворении упрочнённых участков в процессе трения. При некоторой критической концентрации в плёнке происходит кинетический фазовый переход от консервативного движения дислокаций к их неконсервативному переползанию к поверхности и выходу на неё. Дислокации переходят на другой уровень взаимодействия с кристаллической решёткой металла с существенно меньшей затратой энергии, что сопровождается релаксацией напряжений

Определение Шпенькова Г. П. Явление самовосстановления (регенерации) поверхностей трения металлов и сплавов, заключающееся в том, что при трении их в среде, стимулирующей избирательное растворение сплавов и (или) содержащей дисперсные частицы пластичных металлов или их химические соединения, происходит модифицирование поверхностей трения с наращиванием на них пассивирующего слоя, обусловленного неравенством химических потенциалов металлических компонентов пар трения и среды, трибохимическими процессами, механическими воздействиями, превышающими предел текучести материала дисперсных частиц, и адгезии, приводящего к снижению коэффициента трения и износа.

Обобщенная гипотетическая схема проявления самоорганизации при трении и некоторые эффекты ее сопровождающие • Область с минимальным трением является самопроизвольной реакцией трибологической системы на увеличивающуюся нагрузку может рассматриваться как проявление самоорганизации • Бифуркационная точка, разделяющая два состояния: монотонный рост силы трения при увеличении нагрузки и относительно пологий минимум признак самоорганизации

Области реализации ИП А - сталь 14 Х 17 Н 2 - сталь 12 Х 18 НЮТ, В - материал ВК-6 – материал ВК-6

Трибологические проявления самоорганизации при трении Изменение коэффициента трения при импульсном нагружении. а- граничное трение, б - ИП

Физико-химические проявления самоорганизации при трении Триборастворение металла и изменение концентрации металла при трении. а - граничное трение, б -ИП.

Самоорганизация имеет место в тех триботехнических системах, которые отличают: • «Разнозначная» реакция на однократное импульсное нагружение. • Уменьшение силы трения с ростом температуры и скорости относительного скольжения. • Колебания размеров трущихся тел. • Окислительное триборастворение металла с аномально высокой начальной скоростью. • Трибовосстановительный распад или трибохимический обмен в зоне трения. • Колебания концентраций металлсодержащих продуктов в смазке.

Безызносность при трении Пара трения - латунь сталь Смазка - 80% водный раствор глицерина А. С. Кужаров, 1994 г.

FTIR-спектроскопия поверхности трения Пара трения - латунь сталь Смазка - 80% водный раствор глицерина А. А. Кужаров, 1998 г.

АСМ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ Пара трения - латунь сталь Смазка - 80% водный раствор глицерина А. С. Кужаров, А. А. Кужаров 2011 г.

Основные функции смазки Смазка выполняет три основополагающие функции: • Разделение сопряженных поверхностей и уменьшение трения; • Теплопередача или теплоотвод • Защита от коррозии и проникновения в зону трения посторонних частиц

Назначение смазки • • Основное назначение смазок - уменьшение износа поверхностей трения для продления срока службы деталей машин и механизмов. В отдельных случаях они не столько уменьшают износ, сколько упорядочивают его. предотвращая задир, заедание и заклинивание поверхностей трения. Смазки препятствуют проникновению к поверхностям трения агрессивных жидкостей, газов и паров, а также абразивных частиц (пыли. грязи и т. п. ). Почти все смазки выполняют защитные функции, предотвращая коррозию металлических поверхностей. Благодаря антифрикционным свойствам смазки существенно уменьшают энергетические "затраты" на трение, что позволяет снизить потери мощности машин и механизмов. Для защиты металлических изделий, машин и оборудования от коррозии при их транспортировании и длительном хранении применяют специальные консервационные и рабоче-консервационные смазки. Для герметизации зазоров в механизмах и оборудовании, а также соединений трубопроводов и запорной арматуры применяют уплотнительные смазки. Иногда к смазкам предъявляют специальные требования, например, они должны увеличивать коэффициент трения, выполнять роль изоляционных или токопроводящих материалов, обеспечивать работу узлов трения в условиях радиации, глубокого вакуума и т. п. Такие смазки относят к смазкам специального назначения.

Схемы испытаний на трение и износ Существуют три основные группы машин для испытаний на трение и изнашивание, классификация которых основана на исходной геометрии контактной пары: точечный контакт, линейный контакт и конформный контакт (по плоскости или криволинейной поверхности). 1 -4 — цилиндр-плоскость; 5 -7 — плоскость-плоскость; 8 -12 — цилиндр-цилиндр; 13 — контакт шаров; 14 — конус-цилиндр; 15 -17 — шар-плоскость

ЧШМ Принцип работы: на дне специального стакана, который заполнен испытываемым СМ, находятся три контактирующих между собой шарика. В образованный из них треугольник сверху по центру упирается четвертый шарик, который зажат во вращающемся патроне. По ГОСТ 9490 -75 материал шаров Ст. ШХ 15; Ø 0. 5"; Ra<0, 025 мкм; осевая нагрузка - 196 Н; , частота вращения - 1500 об/мин, время испытаний - 1 ч.

ГОСТ 9490 -75 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ СОЮЗА ССР МАТЕРИАЛЫ СМАЗОЧНЫЕ ЖИДКИЕ И ПЛАСТИЧНЫЕ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ЧЕТЫРЕХШАРИКОВОЙ МАШИНЕ ГОСТ 9490 -75 Liquid lubricating and plastic materials. Method of test for lubricating properties on four ball mashine

ГОСТ 9490 -75 Настоящий стандарт распространяется на жидкие и пластичные смазочные материалы, применяемые для смазывания трущихся поверхностей, и устанавливает метод определения основных трибологических характеристик смазочных материалов: -несущей способности - по критической нагрузке Рк; -предельной нагрузочной способности - по нагрузке сваривания Рс; -противоизносных свойств - по диаметру пятна износа Dи; -противозадирных свойств - по индексу задира Из. (Измененная редакция, Изм. № 3).

Машины трения Машина Тимкена (ASTM D 2782) СМЦ-2 Машина трения 77 МТ-1 Машина Фалекса (ASTM D 3233) ЧШМ Машина Алмен-Виланд

УНИВЕРСАЛЬНАЯ МАШИНА ТРЕНИЯ МТУ-01 Предназначена: • для проведения испытаний на трение и износ металлических и неметаллических материалов в условиях применения различных смазочных материалов; • определения и контроля триботехнических характеристики различных материалов и смазочных составов; • научно-исследовательских работ по оптимизации сочетаний материалов и смазочных составов с целью повышения износостойкости различных узлов машин и механизмов; • в учебных целях при проведении лабораторных и исследовательских работ по триботехнике. Концерн «Наноиндустрия»

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТРИБОМЕТР TR-2 1 - двигатель постоянного тока с регулируемой, стабилизированной скоростью; 2 - образец; 3 - контробразец; 4 - датчик температуры поверхности трения; 5 - датчик измерения износа; 6, 12 - датчики вибраторов; 7 - ультратермостат для стабилизации температуры смазки; 8 - датчик температуры смазки; 9 - датчик для регулирования и измерения скорости; 10 - тензодатчик для измерения силы трения; 11 - тензодатчик для измерения нагрузки; 13 - шаговый двигатель для задания и регулирования нагрузки; 14 - шина связи с компьютером; 15 - смазка; 16 - теплоноситель.

Триботехнические свойства нанокластеров меди Зависимость коэффициента трения (2) и электрического сопротивления фрикционного контакта (3) от изменения удельной нагрузки (1) при трении Бр. ОФ-10 по стали 45 в режиме ИП А. С. Кужаров, К. Кравчик, 2000 г.

Микротриботестеры ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНЫЙ ТРИБОМЕТР MTU-2 K 7 Предназначен для проведения триботехнических испытаний тонких пленок при малых нагрузках. Позволяет проводить измерение силы трения, коэффициента трения и оценивать износостойкость испытуемых материалов ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИБОРА Диапазон нагрузок на образец 10 m. N – 1 N Длина хода 1 – 10 мм Линейная скорость 0. 1 – 10 мм/с Диаметр индентора-сферы 4 -6 мм

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ НАНОТРИБОТЕСТЕРЫ UMT Load - up to 200 N Temperature - up to 1, 200 C Chambers - Vacuum, Humidity, Gas Motions - Rotary, linear, reciprocating and block on ring modes UMT-2 is the most versatile nano-micro tribometer in the world. Its single-platform, multiple-configuration, fully-computerized unique acclaimed modular design can perform practically all common tribological tests on nano and micro scales. The UMT 2 is used by wide variety of industries such as biomedical, microelectronics, paper, coatings, etc.