Состав и свойств масел с антифрикционными добавками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Тенденции развития современного общества, рыночная конкуренция ставят перед производителем очень сложную задачу: снижения стоимости эксплуатации изделий с учетом обеспечения максимальной безопасности. Основным направлением по улучшению качества изделий с учетом того, что от 80 до 90 % отказов машин, рабочего инструмента и механизмов происходит из-за износа узлов и деталей, становится создание безизносного узла трения. Данная задача решается двумя путями: внедрением более совершенных конструкционных решений и созданием новых смазочных материалов.

На сегодняшний день с учетом развития химии и химической технологии второй путь кажется наиболее перспективным, и необходимо отметить, что многообразие смазочных средств увеличилось по сравнению с 60 годами XX века на несколько порядков [1].

Одним из важнейших типов смазок являются твердые смазочные материалы: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора, шунгит, диселенид молибдена. Так, графит используются либо в качестве твердого смазочного материала в чистом виде, либо в виде пластичных смазок, где система загущается кальциевыми мылами, парафином или церезином. Однако, несмотря на перспективность использования в качестве антифрикционной добавки к моторным маслам, а также маслам других назначений, они встречаются крайне редко и исключительно в составах зарубежных производителей [2].

Цель работы разработка составов смазки на базе существующих минеральных масел, а так же изучение трибологических свойств масел с антифрикционными добавками.



1. Литературный обзор

1.1 Трение, изнашивание и износ, в механизмах и машинах

Трение -- процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде. Изучением процессов трения занимается раздел физики, который называется механикой фрикционного взаимодействия, или трибологией [1].

В современной механике под трением понимают широкий круг явлений, вызываемых взаимодействием соприкасающихся поверхностей твердых тел при относительном перемещении, а также внутренним движением в твердых, жидких и газообразных средах при их деформации. Однако основные причины, вызывающие трение, в большинстве случаев связаны с поверхностью металла. Поверхность любого твердого тела не бывает идеально ровной, даже самые гладкие металлические поверхности деталей, изготавливаемые с применением особо тонкого шлифования, либо полирования имеют неровности высотой от 0,05 до 0,1 мкм, а наиболее грубые, изготавливаемые фрезерованием от 100 до 200 мкм. Шероховатость и волнистость поверхностей, обусловленные погрешностью при изготовлении деталей, искажением их формы от нагрузки или нагрева, приводят к тому, что две поверхности контактируют на отдельных малых площадях. При относительном перемещении двух соприкасающихся поверхностей в плоскости дискретного касания возникает сопротивление, называемое внешним трением [3].

Сила трения -- это сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. Причиной возникновения трения является шероховатость трущихся поверхностей и взаимодействие молекул этих поверхностей. Сила трения зависит от материала трущихся поверхностей и от того, насколько сильно эти поверхности прижаты друг к другу. В простейших моделях трения (закон Кулона для трения) считается, что сила трения прямо пропорциональна силе нормальной реакции между трущимися поверхностями. В целом же, в связи со сложностью физико-химических процессов, протекающих в зоне взаимодействия трущихся тел, процессы трения принципиально не поддаются описанию с помощью простых моделей классической механики.

При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на [2]:

· Трение скольжения -- сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.

· Трение качения -- момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.

· Трение покоя -- сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.

В физике взаимодействия трение принято разделять на:

· сухое, когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми смазочными материалами) -- очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения -- наличие значительной силы трения покоя;

· граничное, когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) -- наиболее распространённый случай при трении скольжения.

· смешанное, когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;

· жидкостное (вязкое), при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела (порошком графита), жидкости или газа (смазки) различной толщины -- как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;

· эластогидродинамическое (вязкоупругое), когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.

Значения коэффициентов трения покоя и скольжения для некоторых пар материалов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1- Коэффициенты трения покоя и скольжения [2]

Пары материалов	Коэффициент трения покоя, п	Коэффициент трения скольжения, ск
Сталь-Сталь	0,8	0,15-0,18
Резина-Сухой асфальт	0,95-1,0	0,50-0,8
Резина-Влажный асфальт	--	0,25-0,75
Лед-лед	0,05-0,1	0,028
Резина-Лед	0,3	0,15-0,25
Стекло-стекло	0,9	0,7

В большинстве традиционных механизмов (ДВС, автомобили, зубчатые шестерни и пр.) трение играет отрицательную роль, уменьшая КПД механизма. Для уменьшения силы трения используются различные натуральные и синтетические масла и смазки. В современных механизмах для этой цели используется также напыление покрытий (тонких плёнок) на детали. С миниатюризацией механизмов и созданием микроэлектромеханических систем и наноэлектромеханических систем величина трения по сравнению с действующими в механизме силами увеличивается и становится весьма значительной , и при этом не может быть уменьшена с помощью обычных смазок, что вызывает значительный теоретический и практический интерес инженеров и учёных к данной области. Для решения проблемы трения создаются новые методы его снижения в рамках трибологии и науки о поверхности [1].

Изнашивание процесс отделения материала с поверхности твердого тела при трении и (или) накопления остаточной деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Изномс, эромзия -- изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия при трении.

Износ приводит к снижению функциональных качеств изделий и к потере их потребительской ценности. Увеличению износостойкости изделий способствуют как применение материалов с высокой износостойкостью, так и конструктивные решения, обеспечивающие компенсацию износа, резервирование износостойкости, общее улучшение условий трения (применение высококачественных смазочных материалов, защиты от абразивного воздействия, например, наплавка, газотермическое напыление, металлизация) [4].

износ масло смазочный антифрикционный

1.2 Смазочные материалы в технике, исследования технологических составов

Смазочные материалы широко применяются в современной технике, с целью уменьшения трения в движущихся механизмах (двигатели, подшипники, редукторы), и с целью уменьшения трения при механической обработке конструкционных и других материалов на станках (точение, фрезерование, шлифование).

Патентный поиск осуществлялся глубиной 20 лет по ключевым словам " Добавление присадок в смазочные материалы для снижения коэффициента трения". В результате проведенного патентно - информационного поиска найдены следующие патенты, близкие к теме курсовой работы «Материалы и составы триботехнического назначения и особенности их получения».

Зенов Н.К. [5] предлагает использовать состав, для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения, приготовленной в виде мелкодисперсного порошка, включающей хризотил, карбид кремния и окислы титана и меди. При этом смазка дополнительно содержит тальк и терморасширенный графит, содержащий не менее 7% элементов, присутствующих в природном графите, при следующем соотношении компонентов, мас.%: тальк 6-8; терморасширенный графит 8-12; SiC 6-8; 2- 4; CuO 2-4; хризотил остальное.

В работе Ли Х.Д. [6] нам предлагает использование масляной композиции, включающей 100 масс. частей смазки и от 0,01 до 3,0 масс. частей нанопористых частиц, где нанопористые частицы имеют средний размер частиц в интервале от 50 нм до 5 мкм.

Бодесхайм Г. [7] описывает применение ионных жидкостей, для улучшения защиты против окислительной и термической деструкции смазочной композиции, состоящей из смеси из a) от 82,5 до 95 мас. % базового масла или смеси базового масла на основе синтетических, минеральных или природных масел, которые применяют отдельно или в комбинации, b) от 0,1 до 7,5 мас. % ионной жидкости и c) от 4,9 до 10 мас. % присадки или смеси присадок.

Исследователь Бартко Р.В. [8] предоставил состав компрессорного масла, содержащего базовое нефтяное масло и полиметилсилоксан, при этом оно дополнительно содержит 4,4- динонилдифениламин, пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенилпропионовой кислоты, 1,2,3 бензотриазол, сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты и смесь сложных аминов, а в качестве базового масла оно содержит гидрированный остаточный компонент с содержанием ароматических углеводородов 19,0-22,0 %, при следующем соотношении компонентов, % мас.: 4,4-динонилдифениламин 0,95-1,0; пентаэритритовый эфир 3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил пропионовой кислоты 0,55-0,65; 1,2,3-бензотриазол 0,045-0,055; сложный эфир диалкилдитиофосфорной кислоты 0,055-0,065; смесь алифатических и ароматических аминов 0,055-0,065; полиметилсилоксан 0,004-0,005; базовое масло - гидрированный остаточный компонент.

Ученый Штер Т. в работе [9] предлагает в качестве смазки использовать материалы содержащие сложноэфирные группы полимеров в качестве противоусталостных присадок. Описано применение содержащих сложноэфирные группы полимеров по меньшей мере с одним неполярным сегментом, характеризующимся тем, что его получают путем полимеризации состава мономеров, включающего от 0 до 40% масс., в пересчете на массу мономерной смеси для получении неполярных сегментов, одного или нескольких этиленненасыщенных сложных эфиров.

Алексашин А.А. [10] предложил состав включающий основу, представляющую смесь из трех базовых компонентов: из высоковязкого сложного пентаэритритового эфира, получаемого этерификацией полиола пентаэритрита и смеси карбоксильных кислот C6-C12 и имеющего вязкость 21,0-25,0 /с при 100°C и температуру вспышки выше 290°C, из высоковязких полиальфаолефинов с вязкостью 38,0-42,0 /с при 100°C, температурой вспышки выше 260°C и из алкилированного нафталина с вязкостью 12,0-14,0 /с при 100°C.

В тоже время Джемилев У.М. в работе [11] описывает противоизносные и противозадирные присадки к смазочным маслам для холодной объемной штамповки металла, работающим при высоких давлениях, на основе серасодержащих производных фуллерена, которые вводят в индустриальное масло И-20А в количестве 0,003-0,007 мас.%.

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 [12].

Графит одна из самых распространенных сухих смазок. Является одной из аллотропных модификаций углерода, обладающей гексагональной кристаллической решеткой, в которой атомы углерода связанные вдоль линий шестиугольников ковалентными силами, а связь между кристаллическими плоскостями, осуществляется за счет слабых Ван-дер-ваальсовых взаимодействий, энергия которых от 3 до 4 порядков ниже, чем у ковалентных. Поэтому сдвиговая прочность графита в направлении, параллельном заполненным атомами углерода кристаллическим плоскостям, намного меньше, чем в направлениях, соответствующих разрыву ковалентных связей [13].



Рисунок 1.1- Строение кристаллической решетки графита

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 100єС. 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.

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, где особое значение имеет оксидная пленка, которая чем прочнее, тем лучше работает графит [12].

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 [13].

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 [1].

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). 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 [13].

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 [13].

1.3 Механизм антифрикционного действия смазочных материалов

Антифрикционное действие - это действие материалов, направленное на уменьшение трения и износа.

Антифрикционные материалы - это группа материалов, обладающих низким коэффициентом трения, или материалы способные уменьшить коэффициент трения других материалов.

Твердые антифрикционные материалы обладают повышенной устойчивостью к износу при продолжительном трении. Используется для покрытия трущихся поверхностей (например, в подшипниках скольжения). Например, такими материалами могут служить латунь, железо-графит, бронза или баббит.

Эти материалы должны иметь минимальный коэффициент трения, структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к контртелу, механические характеристики материала должны соответствовать эксплуатационным нагрузкам, должны быть достаточно износостойкими и пластичными [2].

Процесс нанесения антифрикционных покрытий должен обеспечивать выполнение тех же требований, что и для износостойких покрытий, с той лишь разницей, что при его проведении строго не ограничивается толщина покрытия.

В связи с тем, что материалов имеющих необходимые антифрикционные характеристики не так много, для уменьшения трения применяют смазочные материалы. Смазки наиболее применяемый вид материалов, которые способны изменять коэффициент трения трущихся поверхностей [3].

Смазочные материалы бывают твёрдые, пластичные, жидкие и газообразные вещества, используемые в узлах трения автомобильной техники, индустриальных машин и механизмов, а также в быту для снижения износа, вызываемого трением.

В зависимости от назначения и условий работы смазочных материалов (смазок), они бывают твёрдыми (графит, дисульфид молибдена, иодид кадмия, диселенид вольфрама, нитрид бора гексагональный), полутвёрдыми, полужидкими (расплавленные металлы, солидолы, консталины), жидкими (автомобильные и другие машинные масла), газообразными (углекислый газ, азот, инертные газы) [14].

В зависимости от характеристик материалов трущейся пары, для смазки могут быть использованы жидкие (например, минеральные, полусинтетические и синтетические масла) и твёрдые (фторопласт, графит, дисульфид молибдена) вещества.

Все жидкие смазочные материалы делятся на классы по вязкости (классификация SAE для моторных и трансмиссионных масел, классификация ISO VG (viscositygrade) для индустриальных масел), и на группы по уровню эксплуатационных свойств (классификации API, ACEA для моторных и трансмиссионных масел, классификация ISO для индустриальных масел.

По агрегатному состоянию смазки делятся на:

· твёрдые,

· полутвёрдые,

· полужидкие,

· жидкие,

· газообразные.

По назначению масла делятся:

· Моторные масла -- применяемые в двигателях внутреннего сгорания.

· Трансмиссионные и редукторные масла -- применяемые в различных зубчатых передачах и коробках передач.

· Гидравлические масла -- применяемые в качестве рабочей жидкости в гидравлических системах.

· Пищевые масла и жидкости -- применяемые в оборудовании для производства пищи и упаковки, где возможен риск загрязнения продуктов смазывающим веществом.

· Индустриальные масла (текстильные, для прокатных станов, закалочные, электроизоляционные, теплоносители и многие другие) -- применяемые в самых разнообразных машинах и механизмах с целью смазывания, консервации, уплотнения, охлаждения, выноса отходов обработки и др.

· Электропроводящие смазки (пасты) -- применяемые для защиты электрических контактов от коррозии и снижения переходного сопротивления контактов. Электропроводящие смазки изготавливаются консистентными.

· Консистентные (пластичные) смазки -- применяемые в тех узлах, в которых конструктивно невозможно применение жидких смазочных материалов.

Механизм действия смазочного материала заключается в разделении сопряженных поверхностей деталей, перемещающихся относительно друг друга, слоем смазки, толщина которой достаточна для уменьшения контакта микровыступов поверхностей. В зависимости от типа разделения поверхностей трения выделяют следующие виды смазывания:

· Гидродинамическая смазка - жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей происходит в результате давления возникающего в слое жидкости при относительном движении этих поверхностей;

· Гидростатическая смазка - жидкостная смазка, при котором полное разделение поверхностей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется жидкостью, поступающей в зазор между этими поверхностями под внешним давлением;

· Газодинамическая смазка - газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей трения, находящихся в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов поверхностей трения и смазочного материала, а также реологическими свойствами последнего в зоне соприкосновения поверхностей;

· Граничная смазка - смазка, при которой трение определяется свойствами тонкого слоя компонентов жидкостного материала, обусловленными взаимодействиями материала поверхностей трения, смазочного материала и среды;

· Полужидкостная смазка - смазка, при которой жидкий смазочный материал, передающий нагрузку, частично разделяет поверхности трения деталей, находящихся в относительном движении.

Вне зависимости от типа разделения поверхностей, вида смазочного материала механизм антифрикционного действия, представляется как совокупность действия каждого компонента смазочного материала: масла, разнообразных присадок - веществ, добавляемых в незначительных количествах в масла для улучшения или придания новых свойств.

Смазочное действие минерального масла с точки зрения гидродинамической и контактно-гидродинамической теорий смазки связано с его вязкостью, которая должна быть достаточно высокая, незначительно меняясь при изменении нагрузки и температуры. Однако оно не обеспечивает эффективного смазочного действия, и уже при невысоких температурах от 20 до 40 ^оС на-блюдается значительный скачкообразный рост коэффициента трения, что свидетельствует о непосред-ственном металлическом контакте трущихся поверхностей [3]. Поэтому обычно минеральное масло не подвергают высокой степени очистки. В масле остаются технологические примеси: смолистые вещества и органические кислоты. Эти примеси называются поверхностно-активными присадками, по характеру их взаимодействия с поверхностью. Полярные группы этих веществ интенсивно притягиваются активными центрами на поверхности металла. При этом боковые группы соседних молекул также взаимодействуют друг с другом. На поверхности твердого тела образуется молекулярный "ворс". Мономолекулярный слой смазки служит продолжением твердого тела, обладает прочностью и упругостью.

В реальных условиях обычно возникают не мономолекулярные, а мультимолекулярные ориентированные слои, в которых внутримолекулярное трение приобретает особый характер, заключающейся в том, что трение происходит между отдельными слоями молекул, а не между отдельными молекулами.

Различными поверхностно-активными присадками могут быть различные мыла жирных и нафтеновых кислот, жирные амины, амиды и другие соли органических кислот. Введение таких веществ резко снижает коэффициент трения и сдвигает разру-шение граничных слоев в область более высоких температур от 140 до 270 ^оС.

В современных тяжело-нагруженных узлах трения: механизмы-рессоры, подвески тракторов и гусеничных машин, открытые шестереночные передачи, резьбовые соединения и др. - требуется химическое модифицирование поверхности с помощью химически активных присадок [12].

Вследствие фрикционного разогрева и влиянии силового поля твердой фазы молекулы вступают в химическое взаимодействие с металлом поверхности трения, образуя модифицированные слои, обладающие пониженным сопротивлением и поэтому заметно снижающие коэффициент трения. Разделяя поверхности трения не только слоем ПАВ, но и образовавшимся поверхностным соединением, эти слои предотвращают металлический контакт, и тем самым устраняют адгезионный износ и заедание [16].

При не высоких температурах до 200 ^оC химически активные присадки могут обеспечить снижение трения и износа благодаря адсорбционному эффекту, а при температурах превышающих температуру разложения присадки благодаря образованию химически модифицированных слоев.

Все этими свойствами обладают дисперсные системы нерастворимых в масле твердых смазочных материалов: MoS₂, WS₂, графита, BN, MoSe₂, где концентрация добавки не превышает 10 % [17].

1.4 Постановка задачи и цели исследований

Литературный анализ, а так же патентный поиск по данной тематике показал, что в качестве основы смазочных составов преимущественно используют жидкие смазочные материалы на основе масел И30А, И20А, МГЕ46В.

В качестве присадок используют преимущественно материалы со слоистой структурой, такие как графит и дисульфид молибдена.

Однако ввиду многообразия предлагаемых материалов, необходимо провести экспериментальные исследования по влиянию наиболее часто используемых присадок, а именно графита, на коэффициент трения в тяжелонагруженных узлах машин и механизмов.

На основании вышесказанного, для решения поставленной задачи, необходимо решить следующие вопросы:

— подобрать исходные материалы на основе минеральных масел;

— разработать составы смазок на основе выбранных материалов и присадок;

— провести экспериментальные исследования по влиянию величины добавки и шероховатости поверхности на коэффициент трения.



2. Разработка смазочных составов для тяжелонагруженных узлов в машиностроении

Для решения задачи исследования, на основании патентного поиска и анализа, установлено, что в качестве основы смазочных составов целесообразно использовать следующие минеральные масла: И30А, М10Г2, МГЕ46В, М14В2, ТМ2-18 и ТЭП15.

В качестве присадки использовать графит в количестве 1, 2,5, 5, 10% по массе. Выбирали графит марки G-001, размер частиц порошка аморфного графита, составляет от 1 до 20 мкм.

В результате были разработаны составы на основе выбранных масел, со следующим процентом содержания графита.

Таблица 2.1- Разработанные смазочные составы

	Основы смазочных составов
	И30А	М10Г2	МГЕ46В	М14В2	ТМ2-18	ТЭП15
Содержание графита, %	1	1	1	1	1	1
	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5	2,5
	5	5	5	5	5	5
	10	10	10	10	10	10



3. Методика проведения экспериментов

В качестве образцов, для определения коэффициента трения скольжения, изготавливали 3 металлических образца диаметром 65 мм и толщиной 3 мм, из материала - Сталь 3, шероховатостью поверхности Ra 1,6. Для исследования влияния шероховатости поверхности на коэффициент трения при использовании разработанных составов, дополнительно изготовили образцы с шероховатостью поверхности Ra 0,4 и Ra 0,8.

Во время проведения экспериментов образец устанавливался на основание и закреплялся в трибометре, с помощью специального зажима. На поверхность диска, при помощи шприца, наносили смазочный материал в количестве 3 мл, после чего проводили измерение силы трения. Путем обработки полученных данных в программе Microsoft Excel строили графики, на основании которых проводили анализ об изменении коэффициента трения скольжения после добавления в исследуемые образцы присадки графита. Остатки смазочного материала удаляли с поверхности диска, используя ветошь с дальнейшим обезжириванием поверхности спиртовым раствором. После выполнения экспериментов с использованием всех подготовленных смазочных составов, используемый образец заменяли другим с иной шероховатостью и проводили аналогичные измерения со всеми исследуемыми составами смазок.

Эксперименты исследования выполнялись на трибометре комбинированном FT2 предназначенном для исследования характеристик трения и изнашивания материалов. Трибометр комплектуется сменными головками, позволяющими производить испытания по одной из двух схем контакта - вращением трех инденторов по неподвижному диску или возвратно-поступательным движением индентора по плоскому образцу [15]. Внешний вид прибора FT2 показан на рисунке 3.1.



Рисунок 3.1- Трибометр комбинированный FT2



4. Результаты исследований и их обсуждение

После проведения испытаний на трибометре, на основании полученных данных, путем преобразования, строим графики зависимости коэффициента трения от содержания графита. На основании которых проводим анализ изменения коэффициента в большую или меньшую сторону.

При добавлении в масло 1 % графита изменение коэффициента трения не наблюдалось ни в одном смазочном составе.

Масло И30А на поверхности с шероховатостью Ra 0,4: как видим из графиков масло И30А с содержанием графита 2,5 % не прошло испытание, т.к. вызвало увеличение коэффициента трения. Образец масло с содержанием 5 % графита уже оказало положительные свойства и снизил коэффициент трения от 0,28 до 0,258.

Образцы масла М10Г2 на поверхности с шероховатостью Ra 0,4: по полученным результатом делаем вывод, что масло М10Г2 с 2,5 % графита имеет коэффициент трения 0,282, у чистого масла 0,31. При содержании 5 % графита коэффициент трения повышается и становиться почти равным первоначальному, как у исходного смазочного материала.

Масло М14В2 на диске поверхность которого с шероховатостью Ra 0,4: как видно на графиках масла с присадками 2,5 % и 5 % графита, показали увеличение коэффициента трения в сравнении с исходным маслом. Присадка отрицательно повлияла на свойство масла, и увеличили коэффициент трения.

Результаты для масла МГЕ46В на поверхности с шероховатостью Ra 0,4: из полученных кривых следует: изначальный коэффициент трения 0,32, присадка в масло 2,5 % графита снизила коэффициент трения до 0,298, с 5 % оказала еще более положительный эффект, до 0,255, что свидетельствует об улучшении трибологических свойств масел.

Масло ТМ2-18 на образце диска с шероховатостью Ra 0,4: на основании полученных данных сделали вывод, что коэффициент трения для масел с присадками 2,5 % и 5 % изменился в одинаковой степени в меньшую сторону на 0,005, и дает незначительный положительный эффект.

Испытав масло ТЭП15 на поверхности с шероховатостью Ra 0,4: делаем вывод, что коэффициент трения снижается при добавлении в масло 2,5 % графита на 0,1, при добавлении 5 % графита, коэффициент увеличивается до первоначального значения, и дальнейшее его увеличение нецелесообразно.

Масло И30А на поверхности с шероховатостью Ra 0,8: на основании данных делаем вывод, что присадки графита 2,5 % и 5 % оказали положительный эффект на триботехнические свойства в одинаковой степени снизили коэффициент трения на 0,55 и 0,6 соответственно.

Масло М10Г2 на поверхности с шероховатостью Ra 0,8: из графиков видно, что обе присадки отрицательно сказываются на свойстве масла, и повышают коэффициент трения, присадка 5 % графита вызывает резкое увеличение коэффициента.

Изучив масло М14В2 на образце с поверхности с шероховатостью Ra 0,8: по полученным данным видно, что обе присадки отрицательно сказываются на свойстве масла.

Исследовав составы смазочных материалов на базе масла МГЕ46В на поверхности с шероховатостью Ra 0,8: сделали вывод, что масло с 5 % добавкой графита снизило коэффициент трения от 0,275 до 0,26, масло с 2,5 % графита снизило его в большей степени до 0,255. Из этого следует, что дальнейшее увеличение содержание графита отрицательно сказывается на триботехнических свойствах масла.

Масло ТМ2-18 на поверхности с шероховатостью Ra 0,8: на основании построенных графиков видно, что добавление 2,5 % графита положительно сказалось на свойствах масла и снижает коэффициент трения от 0,28 до 0,265, присадка 5 % в свою очередь только ухудшают его свойства.

На основание графиков масла ТЭП15 на поверхности с шероховатостью Ra 0,8: делаем вывод, что обе присадки отрицательно повлияли на свойства масла, тем самым увеличив коэффициент трения.

Анализ масла И30А на поверхности с шероховатостью Ra 1,6: по графиком видно, что добавление в исходное масло присадок графита отрицательно сказывается на его свойства, увеличивая коэффициент трения.

Проверив масло М10Г2 на образце поверхности с шероховатостью Ra 1,6: на основании полученных данных, что образец масла с 2,5 % графита не изменил своих свойств по сравнению с чистым маслом, образец с 5 % удалось добиться снижения коэффициента трения на 0,05.

Масло М14В2 на поверхности с шероховатостью Ra 1,6: из полученных графиков видно, что присадка с 2,5 % графита, также как и с 5 % графита отрицательно сказывается на триботехнические свойства масла, увеличивая коэффициент трения.

Смазочные составы на основе масла МГЕ46В на поверхности с шероховатостью Ra 1,6: проанализировав графики видим, что добавление 2,5 % графита снижает коэффициент трения на 0,2, а 5 % графита ухудшает свойства, увеличивая коэффициент трения. Отсюда следует, что дальнейшее увеличение содержание графита отрицательно сказывается на триботехнических свойствах масла.

Образцы масла ТМ2-18 на поверхности с шероховатостью Ra 1,6: из полученных графиков видно, что добавление 2,5 % графита снижает коэффициент трения на 0,05, присадка 5 % графита ухудшает свойства, увеличивая коэффициент трения.

Масло ТЭП15 на диске с шероховатостью поверхности Ra 1,6: из графиков видно, что обе присадки отрицательно сказываются на триботехнических свойствах масла, увеличивая коэффициент трения.

При содержании графита 10 %, в разработанных составах смазки, снижения коэффициента трения не наблюдалось.



Заключение

Анализируя результаты полученных экспериментальных данных, можно сделать вывод, что добавление графита приводит как к положительному так и к отрицательному воздействию на триботехнические свойства масел, при этом шероховатость поверхности так же влияла на результаты.

Так для масла И30А снижение коэффициента трения наблюдалось только на дисках с шероховатостью Ra 0,4-0,8. Масла М10Г2 коэффициент трения снизился с присадкой графита 2,5 % на диске Ra 0,4, в остальных случаях графит оказывал негативное влияние. Масла М14В2, во всех экспериментах графит увеличивал коэффициент трения. Присадки к маслу МГЕ46В давали положительный эффект на образцах с шероховатостью Ra 0,4-0,8. Масло ТМ2-18 после добавления присадка 2,5 % графита приводила к снижению коэффициента трения, а уже присадка 5 % его повышала. Масла ТЭП 15 положительный эффект получили с 2,5 % присадкой на образце Ra 0,4 , в остальных случаях коэффициент трения возрастал.

Сравнив результаты всех проведенных экспериментов можно сделать вывод, что самые высокие показатели по снижению коэффициента трения путем добавления присадки графита, получены при использовании масел МГЕ46В на образце с шероховатостью Ra 0,4, коэффициент снизился на 0,065 и И30А на образце с шероховатостью Ra 0,8, коэффициент снизился на 0,06.



Литература

1. Ахматов А.И. Костецкий И.В. Современная трибология. Издательство ЛКИ, 2008.-480 с.

2. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. -М: «Техника». 1970.-396 с.

3. Основы трибологии: учебник для вузов; под ред. А.В.Чичинадзе. М.: Центр «Наука и техника», 1995.-778 с.

4. Крагельский И. В Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1962.-382 с.

5. «Композиция ППМ-21-2 для преобразования и восстановления металлических поверхностей трения и способ ее изготовления»: пат. RU 2530776 C1, МПК F16C 33/14/ Зенов Николай Георгиевич (RU); заявитель: Зенов Николай Георгиевич (RU). Заявка: 2013114141/04, 29.03.2013; Опубликовано: 10.10.2014 // Бюл.№28 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014. - 7 с.

6. «Смазочная масляная композиция для уменьшения трения, включающая нанопористые частицы»: пат. RU 2512379 C1, МПК С10М 125/00 / ЛИ Хиеунг Дзин (KR), ЧО Йонг Рае (KR); заявитель СК ЛУБРИКАНТС., ЛТД. (KR). Заявка: 2012145479/04, 16.03.2011; Опубликовано: 10.04.2014 // Бюл. №10 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2011. - 20 с.

7. «Применение ионных жидкостей для улучшения свойств смазочных композиций»: пат. RU 2516705 С2, МПК С10М 133/38 / Гюнтер БОДЕСХАЙМ (DE), Дитер ЗОН (DE), Штефан ГРУНДАЙ (DE), Андреа ХЁПКЕ (DE); заявитель КЛЮБЕР ЛУБРИКАЦИОН МЮНХЕН (DE). Заявка: 2010101285/04, 20.05.2008; Опубликовано: 20.05.2014 // Бюл. №14 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014. - 12 с.

8. «Компрессорное масло»: пат. RU 2523010 C1, МПК С10М 169/00 / Бартко Руслан Владимирович (RU), Волгин Сергей Николаевич (RU), Гаврилова Ирина Анатольевна (RU), Догадин Олег Борисович (RU), Резниченко Ирина Дмитриевна (RU), Тыщенко Владимир Александрович (RU); заявитель Открытое акционерное общество «Нефтяная компания РОСНЕФТЬ» (RU). Заявка: 2013132195/04, 12.07.2013; Опубликовано: 20.07.2014 // Бюл. №20/ «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014. - 9 с.

9. «Применение содержащих сложноэфирные группы полимеров в качестве противоусталостных присадок»: пат. RU 2515994 C2, МПК С10М 145/14 / ШТЕР Торстен (DE), МЮЛЛЕР Михаэль (DE), БАРТЕЛЬС Торстен (DE), НОЙЗИУС Михаэль (DE), ЯНССЕН Дитер (DE); заявитель Эвоник Ромакс Эддитивс ГМБХ (DE). Заявка: 2010107871/04, 20.06.2008; Опубликовано: 20.05.2014 // Бюл. №14 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014. - 33 с.

10. «Смазочная композиция синтетического компрессорного масла для применения в компрессорах высокого давления»: пат RU 2013108198 А, МПК С10М 169/00 / Алексашин Анатолий Алексеевич (RU), Хурумова Аида Федоровна (RU), Дунаев Сергей Васильевич (RU), Кузнецова Марина Васильевна (RU); заявитель Российская федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли РФ (RU). Заявка: 2013108198/04, 26.02.2013; Опубликовано: 10.09.2014 // Бюл. №25 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014. - 2 с.

11. «Противозадирные и противоизносные присадки к маслам, работающих при высоких давлениях»: пат. RU 2012129129 A, МПК С10М 135/00 / Джемилев Усеин Меметович (RU), Туктаров Айрат Рамилевич (RU), Хузин Артур Альбертович (RU); заявитель ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕХИМИИ И КАТАЛИЗА РАН (RU). Заявка: 2012129129/04, 10.07.2012; Опубликовано: 20.01.2014 // Бюл. №2 / «ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ» - 2014.- 1 с.

12. Фролов К. В. Современная трибология: Итоги и перспективы. ЛКИ, (ред.) 2008.-480 с.

13. Трение, смазка и смазочные материалы. Руководство по теории и практике смазки и по методам испытания смазочных материалов. Арчбютт Л.Л., Дилей Р.М. -М: Госгоргеолнефтиздат. 1984. - 703 с.

14. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. -- 4-е изд., перераб. И доп. : Гаркунов Д. Н. -М: «Издательство МСХА», 2001.-616 с.

15. Справочник по триботехнике: под ред. М.Хебды и А.В.Чичинадзе. М: Машиностроение, 2009.-400 с.

16. Группа углерода // Курс минералогии: учебное пособие. Бетехтин А. Г. -- М.: КДУ, 2007. -- 721 с.

17. Казакова Л.П., Крейн С.В. Физико-химические основы производства нефтяных масел. М: Машиностроение, 1978.-540 с.

Размещено на Allbest.ru

...