Серпенитиниты в триботехнике: геомодификаторы нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СЕРПЕНИТИНИТЫ В ТРИБОТЕХНИКЕ: ГЕОМОДИФИКАТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Трибология и триботехника оформились как самостоятельные разделы науки и техники сравнительно недавно. Термин «трибология» был сформулирован 9 марта 1966 года в докладе Британского министерства образования и науки. В нем трибология определялась как наука о фундаментальных и технических аспектах взаимодействия поверхностей при относительном перемещении, а также связанных с ними явлениях и практических приложениях . В Советском энциклопедическом словаре 1980 г. издания трибология трактуется как научная дисциплина, занимающаяся изучением трения и износа узлов машин и механизмов в присутствии смазочных материалов (от греч. tribos - трение и ...логия). Разрабатываемые на основе трибологии технологии и составы называются триботехническими. Как правило, целью трибологических исследований и триботехнических разработок является уменьшение износа и предупреждение повреждений трущихся поверхностей путем применения смазочных материалов.

В основе триботехники лежат представления о доминирующей роли топографии поверхностей взаимодействующих твердых тел в явлениях трения и износа.

Контактирующие поверхности (пары трения) никогда не являются идеально гладкими, имеют микронеровности. При этом выступы на поверхностях не совпадают. Как образно выразился один из пионеров трибологии, Ф. Боуден, «наложение двух твердых тел одного на другое подобно наложению швейцарских Альп на перевернутые австрийские Альпы - площадь контакта оказывается очень малой». При сжатии выступы подвергаются пластическим деформациям, что сопровождается увеличением площади соприкосновения трущихся поверхностей. Сопротивление относительному сдвигу в зонах контакта взаимодействующих поверхностей при их относительном перемещении и является основным источником трения движения. Износ и сила трения резко возрастают с увеличением нагрузки на детали.

Трение и износ в случае прямого контакта пар трения определяются силами межмолекулярного взаимодействия, твердостью (прочностными характеристиками) и степенью шероховатости поверхностей. Большое значение имеют также свойства тонких граничных пленок (окислов, адсорбированных газов и воды, загрязнений), покрывающих поверхности. Установлено, что чем меньше прочность граничной пленки на срез, тем ниже сила трения; чем выше прочность пленки на разрыв, тем меньше износ.

Соответственно, в триботехнике выделяются следующие главные направления борьбы с трением и износом узлов механизмов:

1. Обеспечение возможно лучшего доступа смазочных материалов в трибосочленения для предотвращения «прямого трения» поверхностей деталей механизмов.

2. Оптимизация физико-химических параметров смазочных материалов, в частности, вязкостно-температурных характеристик, величины удельного электрического сопротивления, относительной диэлектрической проницаемости, относительной магнитной восприимчивости, теплопроводности и др.

3. Модификация (преобразование) поверхностей пар трения с целью снижения их шероховатости, которая может достигаться, например, микрошлифованием, заполнением отрицательных элементов микрорельефа инородным материалом, созданием граничных пленок с заранее заданными свойствами и другими способами.

Первое направление в значительной степени связано с совершенствованием конструкций механизмов и агрегатов. Разнообразные методы повышения качества смазки обычно реализуются путем совершенствования химического состава масла или применения присадок - добавок в моторное масло и смазочные материалы, специализированных на достижение того или иного эффекта в трибосистемах. Присадки, предназначенные для улучшения ресурсных характеристик смазки, повышают вязкость и температурный порог выгорания и коксования базовых масел и смазок. Кондиционеры металла способствуют созданию на поверхностях трения разделительного слоя, из материалов, образующихся в результате физико-химических превращений в трибосистемах. Существуют присадки, активирующие силы сцепления смазок с поверхностью металла; присадки, формирующие на поверхностях пар трения граничные пленки из «мягких» металлов и т. д.

Среди разнообразных материалов, использующихся в качестве присадок для модификации поверхностей в трибосистемах, особое место занимают геомодификаторы первого поколения. К ним относятся природные минералы и горные породы, обладающие нередко уникальными противоизносными свойствами. Примерами могут служить графит и молибденит. Особая «чешуйчатая» структура этих минералов позволяет частично сгладить поверхности пар трения. Взаимодействие поверхностей происходит не в прямом контакте металл - металл, а через мелкодисперсную коллоидную смесь. Чешуйки минералов как бы сглаживают микронеровности за счёт образовавшейся «чешуйчатой кольчуги». За счёт чисто механического проникновения в поверхность металлов такие добавки способны вызвать и небольшое увеличение твёрдости поверхностного слоя, что в некоторых случаях дает положительный эффект.

Многие присадки, производя узконаправленное воздействие, могут побочно оказывать негативное влияние на другие факторы, управляющие состоянием трибосистем. К ним относятся, например, нерастворимые в моторном масле вещества (геомодификаторы графит и молибденит, некоторые цветные металлы, сплавы и синтетические материалы). Достаточно высокая твёрдость графита и молибденита по грани приводит к тому, что при определённых условиях эти добавки становятся абразивными. Иногда присадки содержат соединения серы или частицы цветных и благородных металлов, повышающие зольность и коррозионную активность масла. Синтетические металоплакирующие присадки, содержащие вещества, способные создавать на поверхностях трения слои инородного материала с низким сопротивлением сдвигу (Cu, MoS2 и т.п.) так же имеют ряд недостатков, наиболее существенные из которых непродолжительность эффекта и значительное загрязнение масляной системы. Общим недостатком всех присадок является необходимость постоянного поддержания заданной концентрации исходного вещества в смазке.

Поэтому особенные перспективы трибологии связывают с применением нового продукта триботехнических технологий - триботехнических составов. Триботехническими составами называются многокомпонентные смеси, предназначенные для комплексного преобразования трибосистем с достижением состояний, близких к равновесным.

В СССР интенсивные экспериментальные и теоретические исследования, посвященные созданию триботехнических составов, были начаты в 70-х годах, а в 90-х на рынке смазочных материалов России и стран ближнего зарубежья появились и со временем прочно обосновались триботехнические составы отечественного производства, базовой составляющей которых являются серпентиниты.

Идея использования серпентинитов в триботехнике появилась при проходке Кольской сверхглубокой скважины. Было замечено, что при бурении серпентинизированных горных пород срок службы шарошечного долота был в шесть раз больше, чем обычно. Исследования влияния серпентинитов на процессы трения металлов производились группой российских ученых в ... «Механобр» под общим руководством профессора В. И. Ревнивцева. В 1984 г. ими был открыт «эффект низкого трения гидратов по стали». Было установлено, что определенные фракции тонко помолотого серпентинита под действием контактного давления соприкасающихся поверхностей, внедряется в эти поверхности и инициируют процессы саморегуляции трения, снижая силу трения в несколько раз. При этом отмечались высокая стойкость против заедания и схватывания, и, самое главное, способность к модификации поверхностей, сохраняющейся и после удаления модификатора из зоны трения.

Тематические исследования продолжались в «Механобр» вплоть до 1989 года, когда в период перестройки возникли определенные сложности, и бюджетное финансирование работ было прекращено. Преемником ... «Механобр» в области разработки и практического использования триботехнических составов стало ленинградское предприятие - научно-производственная инновационная фирма (НПИФ) «Энион-Балтика». Финансирование работ осуществлялось за счет собственных средств предприятия; на их организации в полной мере отразились все перипетии становления рыночной экономики последних пятнадцати лет.

НПИФ «Энион-Балтика» была создана в середине 80-х годов на базе ленинградского филиала Федерации инженеров СССР «Энион», как научно-внедренческое подразделение. В 1991 г. НПИФ «Энион-Балтика» по согласованию с Федерацией была преобразована в самостоятельную структуру с частной формой собственности.

Работы по созданию триботехнических составов были начаты НПИФ «Энион-Балтика» в 1991 г. Это направление привлекло внимание специалистов и руководства фирмы несомненной перспективностью совершенно нового подхода к проблемам трения и износа. Первоначально работы в области триботехники осуществлялись предприятием параллельно с другими направлениями и видами деятельности, доходы от которых обеспечили финансирование начальных этапов работ.

В период с 1991 по 1993 г. специалистами НПИФ «Энион-Балтика изучались возможности использования различных природных минералов и горных пород в качестве исходных материалов для производства триботехнических составов. В общей сложности лабораторным и натурным испытаниям были подвергнуты десятки различных композиций. Помимо различных геомодификаторов, в состав композиций включались разнообразные поверхностно-активные вещества, катализаторы и другие добавки. Наиболее хорошие результаты дали испытания триботехнических составов, изготовленных на основе серпентинитов. Например, при обработке различных пар трения «серпентинитовыми» составами коэффициент трения снижался в 4-15 раз, износ - в 2-4 раза. После стабилизации режима понижалась температура пары, а увеличение нагрузки на значения коэффициента трения и температуры практически не влияло. Испытания показали, что применение разработанных фирмой составов не только снижает шероховатости поверхностей, но и часто приводит к восстановлению линейных размеров сопрягающихся деталей. Это свойство составов обеспечивает уменьшение и выравнивание зазоров, уплотнение плунжерных, цилиндропоршневых и т. п. пар, снижение шума и вибрации, и, в конечном итоге, резко увеличивает ресурсные характеристики узлов механизмов.

Уже в 1993 г. НПИФ «Энион-Балтика» начала активную деятельность по совершенствованию, производству и реализации триботехнических составов, которые в дальнейшем были запатентованы под торговой маркой НИОД® (направленная ионная диффузия). Спустя короткое время это направление стало основным в деятельности НПИФ «ЭНИОН-БАЛТИКА». В 1993 году зарегистрированы ТУ на производство «Состава триботехнического НИОД» (с последними изменениями ТУ 0254-002-23124986-2001), получены два патента на изобретения (№2035636 приоритет от 07.07.93г. и №2057257 приоритет от 21.03.94г.). ТС НИОД сертифицирован, имеет гигиенический и пожарный сертификаты, зарегистрирован торговый знак «НИОД» (свид. №147560 приоритет от 10.02.94).

Следует несколько подробнее остановиться на коммерческой политике, использованной НПИФ «Энион-Балтика. В 1993 г. в основу коммерческой концепции была положена идея продления срока службы сильно изношенного парка техники и оборудования крупных отечественных предприятий. Применение триботехнических составов НИОД® обеспечивало не только продление срока службы агрегатов и механизмов, но и экономию на смазочных материалах, топливе и электроэнергии, уменьшение вероятности аварий, сокращение трудозатрат на внеплановые ремонты, снижение потребления запасных частей и комплектующих. Для крупных предприятий топливно-энергетического комплекса, железнодорожного и автомобильного транспорта, речного и морского флота все это приносило вполне ощутимый экономический эффект. Например, на Нерюнгринской ГРЭС фактический экономический эффект только за первый год внедрения технологии составил 152 млн. руб. (в ценах 1994 г.); в локомотивном депо Свердловск-Пассажирский суммарный годовой экономический эффект от обработки электроподвижного состава депо составил 2 019,5 млн. руб. (по ценам на 1.10.1996 г.).

Финансирование работ НПИФ «Энион-Балтика» осуществлялось на договорной основе, нередко на условиях оплаты «по конечному положительному результату». В состав работ, как правило, входили опытно-методические и технологические разработки по адаптации методики применения триботехнических составов НИОД® для каждого конкретного случая. Они включали: регулирование свойств составов путем применения тех или иных добавок (ПАВ, катализаторов) в зависимости от особенностей обрабатываемых узлов и использующихся смазочных материалов; разработку методик обработки пар трения с учетом конструктивных особенностей механизмов и агрегатов; подготовку рекомендаций и инструкций по применению составов; обучение технического персонала предприятий-потребителей.

Такой подход сопровождался развитием широкой дилерской сети в России и странах ближнего зарубежья. Технологичность применения составов НИОД® при обработке механизмов не требовала высокого квалификационного уровня технического персонала потребителей. Поэтому представители при поддержке НПИФ «Энион-Балтика» нередко создавали мастерские, специализированные на триботехническом обслуживании технических средств предприятий-потребителей. В свою очередь, это привело к увеличению объема продаж и расширению области применения триботехнических составов НИОД®. В конечном итоге, удачно подобранная коммерческая политика внедренческой деятельности позволила обеспечить ее развитие на условиях «самофинансирования». Появились средства и на продолжение научно-исследовательских и технологических разработок. Субподрядчиками НПИФ «Энион-Балтика» стали НИИ Технологии Обработки Полезных Ископаемых, ВНИИТрансмаш, НИИ «Домен» НПО «Феррит», Балтийский Государственном Техническом Университет, Московский Химмотологический Центр, УрГАПС, НИИХИММАШ, ВНИПИ Атомного Энергетического Машиностроения (ВНИИАМ) и другие организации.

К концу 1995 г. число крупных предприятий-потребителей в России и странах ближнего зарубежья, приобретавших составы НИОД® и оплачивавших технологические разработки по его применению составило уже несколько сотен. Производство и реализация триботехнических составов превратились в выгодный бизнес.

Это повлекло за собой возникновение целого ряда малых предприятий, специализированных на внедрении триботехнических технологий. Однако эффективность и внешняя простота применения привела к появлению подражаний. Начиная с 1995 г. на рынке смазочных материалов СНГ стали появляться многочисленные аналоги триботехнического состава НИОД®: «РВС-технологии» (производит ... «Руспромремонт»); «ХАДО-технология» (выпускает харьковская фирма «ХАДО»; «MOTOR ENERGIZER», «ССРС», «ТРИБО-2» (производство ...); «РЮ-11» ( ООО «Мастбит»); «ТСК» или «Геомодификаторы» («Дедал»); «Твердосмазочные композиции для металлических пар трения» и др. Во многих случаях эти предприятия были организованны бывшими сотрудниками и дилерами НПИФ «Энион-Балтика», не располагавшими достаточными знаниями для реализации новых направлений. Это обусловило «наследование» новыми производителями недостатков триботехнических составов первого поколения. Часто вместо ожидаемого положительного результата происходило разрушение обрабатываемых механизмов. В 1995 году МПС было вынуждено разослать по дорогам телеграмму (№1444 от 07.06 95) в которой сообщало о выходе из строя двух электровозов, обработанных «неизвестной главку и ЭНИОН-БАЛТИКЕ фирмой», через непродолжительное время после обработки и рекомендовало «в случае поступления предложений по этому вопросу проверять компетентность фирмы в НПИФ «ЭНИОН-БАЛТИКА».

Тем не менее появление многочисленных конкурентов способствовало и ускорению продвижения триботехнических составов на рынке смазочных материалов стран СНГ. Уже к 1999 г. предприятия-потребители «серпентинитовых» триботехнических технологий стали исчисляться тысячами. Наступило относительное насыщение рынка сбыта, обусловившее поиск новых направлений приложения триботехнических технологий и объективные предпосылки для пересмотра и совершенствования их научной базы.

Первым шагом НПИФ «Энион-Балтика» в условиях обострившейся конкуренции стала разработка ассортимента смазочных материалов с присадками на основе триботехнических составов НИОД®. Их выпуск и реализация начаты в 2001 г. под торговой маркой НИОДОЛ©.

Однако наибольшее внимание НПИФ «Энион-Балтика» привлекают направления развития триботехнических технологий, основанные на главном свойстве триботехнических составов - способности к кардинальному изменению трибосистем за счет модификации поверхностей пар трения. Например, ведутся работы по созданию механизмов изначально ориентированных на работу в «сухом» режиме, то есть вообще без применения смазочных материалов. Такие механизмы могут найти широкое применение в пищевой, фармацевтической, химической и других отраслях промышленности.

Таким образом, перед НПИФ «Энион-Балтика» встали качественно новые технические и технологические проблемы, решение которых требует умения сознательно управлять свойствами трибосистем. Разработки начатые в этих направлениях показали явную недостаточность современных теоретических представлений о механизмах действия триботехнических составов, базирующихся на данных полученных в конце 80-х - начале 90-х годов и носящих сугубо гипотетический характер.

Триботехнический состав НИОД® представляет собой мелкодисперсное (10-50 мкм) сухое многокомпонентное вещество, включающее в себя тонко растертые серпентиниты, а также поверхностно-активные вещества и катализаторы, предназначенные для ускорения ионно-обменных реакций. Состав вводится в зону трения с помощью штатной смазки и после обработки сразу удаляется с целью предупреждения негативных эффектов. трибология серпентинит поверхность

Согласно существующим в настоящее время в триботехнике представлениям возможны следующие механизмы действия состава:

1. В действии триботехнического состава условно выделяются следующие фазы: очистка и микрошлифование поверхностей трения; внедрение в поверхность деталей под действием контактного давления; распределение триботехнического состава в приповерхностном объеме с образованием твердых растворов путем замещения катионов магния катионами железа. В результате достигаются противоизносный эффект за счет уменьшения шероховатости и выравнивания твердости обеих поверхностей, а также микровосстановление формы и размеров деталей

2. При добавлении состава в узлы трения выступы микрорельефа поверхности, подобно мельничным зубьям, доизмельчают его частицы до размеров, соизмеримых с размерами выступов микрорельефа поверхности. Эти выступы, набегая друг на друга, ломаются, а в местах слома происходят микровспышки с выделением тепловой энергии. При этом достигаются температуры 400-1100°С (для среднеуглеродистых сталей). Температура зависит от скорости слома и твердости самого выступа. При плотном контакте в присутствии катализаторов и при энергии, выделяемой при трении, протекает реакция замещения атомов магния в кристаллических решетках триботехнического состава на атомы железа поверхностного и подповерхностного слоев металла. В местах выступов появляются первые пятна модифицированной поверхности, которые затем образуют непрерывный модифицированный защитный слой.

Начатые НПИФ «Энион-Балтика» работы показали, что прогностические возможности перечисленных моделей недостаточны для целенаправленного развития технологий применения триботехнических составов, хотя и обеспечивают надежное восстановление и увеличение ресурса конкретных механизмов.

Серпентиниты, или змеевики - это широко распространенные в природе горные породы, продукты гидротермально-метасоматических изменений гипербазитов или, значительно реже, доломитов.

Первичные алюмосиликатные породы, подвергшиеся серпентинизации, могут быть представлены дунитами, перидотитами, ортопироксенитами, реже амфиболитами или амфиболовыми сланцами. Крупные перидотитовые (чаще всего, гарцбургитовые) массивы нередко полностью серпентинизированы. Замещая исходные горные породы, различные по структуре, текстуре и минеральному составу, серпентиниты нередко наследуют некоторые первичные признаки материнских пород. В свою очередь серпентиниты могут подвергаться воздействию более поздних эпигенетических процессов, приводящих к вторичным изменениям их состава.

В целом, серпентиниты характеризуются исключительно переменчивым химическим и минеральным составом. В составе этих пород минералы группы серпентина часто образуют сложные смешанослойные образования с другими слоистыми силикатами - тальком, хлоритом, глинистыми минералами (каолинитом, смектитами) и т.д. Кроме того, обычными минералами серпентинитов являются брусит, хромит, магнетит, кварц, карбонаты (рис. 1). Абсолютно свободных от примесей мономинеральных серпентиновых пород в природе не встречается. Количество разнообразных примесей может достигать в серпентинитах 50_70 %, вплоть до полного замещения их глинистыми минералами, кварцем, гидроокислами железа. В составе серпентинитов преобладают SiO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, FeO, MgO, H2O, присутствуют Fe, Mn, Ca, Ni, Ti, Cr, Cu, Pt и другие элементы в виде окислов и других химических соединений.

Рассмотрим свойства главных породообразующих минералов серпентинитов, оказывающие влияние на их триботехнические характеристики и протекание различных процессов в трибосистемах.

Минералы группы серпентина. Довольно сложная кристаллическая структура серпентинов, относящихся к группе триоктаэдрических слоистых силикатов, имеющих устойчивый химический состав, допускает более десятка политипов, а наличие полиморфных разновидностей с различной топологией слоев еще более увеличивает разнообразие их структурных модификаций.

Кристаллическая структура серпентина составлена двухэтажными слоями, образованными кремне-кислородной тетраэдрической и бруситоподобной октаэдрической сетками, сочлененными через общие вершины. Вследствие заселенности октаэдров относительно крупными катионами Mg2+ в кристаллической решетке серпентина существует значительная несоразмерность тетраэдрической и октаэдрической сеток. Латеральные размеры заселенной атомами магния идеальной октаэдрической сетки существенно превышают латеральные размеры кремниевой тетраэдрической сетки (bокт ? 9,43 ?, bтет ? 9,1 ?). Компенсация этой несоразмерности структурных сеток может осуществляться в плоских, цилиндрически изогнутых и волнообразных с переменным направлением изгиба слоях (рис. 2). Соответственно выделяются полиморфные разновидности серпентина: лизардит, хризотил-асбест и антигорит.

В природных серпентиновых ассоциациях лизардит является более поздним и более низкотемпературным по отношению к хризотилу и антигориту, которые он часто замещает. Данные минералы довольно четко различаются по химическому составу как основных, так и примесных элементов, что заставляет многих исследователей сомневаться в корректности их рассмотрения как представителей полиморфных модификаций серпентина. Имеется также принципиальное отличие между структурой антигорита, с одной стороны, и структурами хризотила и лизардита с другой. В хризотиловой фибрилле кривизна слоев уменьшается к внешним слоям, поэтому полная компенсация несоразмерности тетраэдрических и октаэдрических слоев реализуется только в одном из них. В лизардите несоразмерность снимается за счет искажения геометрии октаэдрических и тетраэдрических сеток, изоморфных замещений кремния и магния на алюминий и железо, структура при этом остается напряженной. В сверхпериодичной модулированной структуре антигорита возможна полная компенсация несоразмерностей сеток на протяжении всего кристалла, это делает антигорит наиболее стабильной модификацией серпентина, и как следствие, более устойчивой к механическому разрушению и воздействию высоких температур. Эти факторы, вероятно, имеют особенное значение при доизмельчении частиц триботехнического состава, очистке и микрошлифовании поверхностей трения, что в свою очередь необходимо для обеспечения плотного контакта частиц серпентинитов с поверхностями трения.

Например, волокна серпентинового асбеста, известного как хризотил-асбест, имеют сопротивление на разрыв почти такое же, как у некоторых сортов стали. Элементарные волокна хризотила представляют собой свернутые в тончайшие трубочки серпентиновые листочки (различимые лишь под электронным микроскопом). Эти трубчатые волокна в агрегатах гибки, но не упруги; у некоторых сортов волокна более хрупкие («ломкие асбесты»). Кроме того, хризотиловый асбест весьма устойчив к нагреванию, только при температурах выше 400°С минерал постепенно становится более хрупким. Очевидно, присутствие хризотил-асбеста в составе серпентинитов несколько ухудшает свойства трибосоставов, поскольку до определенной температуры эта разновидность серпентина не участвует в образовании модифицированной защитной пленки на поверхности трибосочленений, а добавляет в смазку, и без того переполненную продуктами износа и разложения масел и присадок, дополнительную порцию загрязнителей.

Степенью кристалличности серпентинов, идущих на производство триботехнических составов, до определенной степени, вероятно, можно пренебречь, т.к. известно, что участки серпентина аморфного строения быстро восстанавливают кристаллическую структуру в условиях прогрева серпентина при температурах 250_300оС, существенно меньших температур начала термической деструкции минерала.

Кроме различий в топологии слоёв полиморфные разновидности серпентина также характеризуются небольшими, но устойчивыми отличиями в химическом составе как основных, так и примесных элементов. Идеальная кристаллохимическая формула серпентина - Mg3[Si2O5](OH)4, в кристаллической решетке выявлены изоморфные ионы Mn2+, Fe2+, Fe3+. Обычно они присутствуют в минералах серпентина в высоких концентрациях и тем самым оказывают заметное влияние на их механические свойства, (такие, как твердость, способность к истиранию), определяют окраску и другие спектроскопические характеристики серпентинов, влияют на величину относительной диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости, теплопроводности. Эти характеристики имеют очень большое значение, поскольку при повышении температуры в узлах трения появляется текучесть и смещение фаз образований (слоёв) на поверхности стали и, как следствие - возникновение электрических энергий и магнитных полей. Высокое удельное электрическое сопротивление серпентинов способствует ослаблению электрохимических и электромагнитных явлений, уменьшению износа деталей; низкая относительная диэлектрическая проницаемость благоприятно влияет на проявление адгезии к сталям; низкая теплопроводность (в десятки раз ниже известных твёрдых смазок) способствует высокой термостойкости новообразованного модифицированного слоя.

Помимо ионов основных металлов в структуру серпентинов входит вода, расположенная слоями. При механическом и тепловом воздействии на поверхности стали начинают протекать различные окислительно-восстановительные реакции, часть связей Si_O_Si; Si_O_OH_Металл; Si_O_OH и др. обрывается, и мы получаем соединения с освободившимися связями типа Si_O_( ); Si_O_OH_( ) и выделение воды H2O в результате освобождения конституционной воды из минерала. При этом активно идёт процесс образования новых связей Si-O-OH; Si-O-Fe и т.д. Этот процесс приводит к возникновению следующих реакций между силикатными и металлическими фазами:

Mg6(Si4O10)(OH)8 + Fe2O3 + H2 > 4(MgFe)SiO4 + 5H2O

За счёт этого на поверхностях трения образуются прочные гидратированные слои, соединённые жидкой прослойкой, что значительно снижает силу трения.

Кроме того, наличие гидрофазы в трибоузле повышает химический потенциал MgO в полном соответствии с эффектом кислотно-основного взаимодействия компонентов Д.С. Коржинского (1959). Он заключается в том, что в расплавах или флюидах, вступающих в основную среду, повышаются коэффициенты активности всех оснований и, больше всего, щелочей. Повышение активности магния способствует усиленному протеканию реакций ионообмена Mg > Fe и облегчает образование защитного модифицированного слоя.

Другие слоистые силикаты. Обладая сходным химическим составом и структурой, все прочие слоистые силикаты, входящие в состав серпентинита, вероятно, оказывают сходное влияние на свойства триботехнического состава. Все они имеют структуру, где атомы одной плоскости имеют сильные ковалентные связи, в то время как между параллельными рядами связи слабее, а значит, силы, необходимые для сдвига слоёв частиц трибосостава, меньше силы связи с металлом. Абсолютная спайность этих минералов обеспечивает плотное соприкосновение частиц триботехнического состава с поверхностью трения за счет сил межкристаллического взаимодействия. Кроме того, при трении их частицы выстраиваются по направлению наименьшего механического сопротивления, а выступы микрорельефа при контакте еще и утрамбовывают частицы, обеспечивая их максимально плотный контакт с поверхностью стали. Высокая твёрдость слоистых силикатов по «alfa» плоскости способствует сопротивлению изнашиванию и высокому пределу текучести металлокерамических пленок и придает им особую пластичность (по сравнению с керамикой). Как и серпентин, железо-магнезиальные силикаты (хлорит, тальк, гидроталькит и т.д), являясь источником магния и воды, активируют окислительно-восстановительные и ионно-обменные реакции в начале работы узла трения и способствуют выделению необходимых материалов для создания защитного слоя. Труднее оценить влияние глинистых минералов (смектитов, каолинита), в составе которых содержится алюминий, поскольку алюмосиликаты не обладают такой высокой адгезией к сталям, как магнезиальные силикаты, что увеличивает вероятность отслаивания защитной пленки.

Брусит. Присутствие брусита в триботехнических составах, по всей видимости, влияет положительно на их свойства. Формула минерала - Mg(OH)2 при содержании MgO _ 69,12 %, H2O _ 30,88 %. Как и серпентины, брусит обладает слоистой структурой и совершенной (слюдоподобной) спайностью по (0001), механически легко разрушается (твердость 2), непроводник электричества. Это сравнительно низкотемпературный минерал, который при разложении дает необходимые для процесса ионообмена и образования металлокерамической пленки магний и воду.

Кварц. Высокие пьезоэлектрические свойства кварца способствуют подавлению трибоэлектрического эффекта, возникающего при трении. Следует отметить, что кварц сочетает хорошие пьезоэлектрические свойства с большой механической прочностью, высокими изоляционными свойствами и независимостью пьезоэлектрической характеристики в широких пределах от изменения температуры (пьезосвойства кварц теряет при температуре выше 520^оС).

Магнетит. Плотный контакт частиц триботехнического состава с поверхностью трения обеспечивается не только совершенной спайностью слоистых силикатов, но и их слабомагнитными свойствами - разрушенные частицы серпентина ориентируются в определенном порядке векторами электромагнитных полей. Вполне возможно, что определенную роль здесь играет присутствие метасоматического тонкораспыленного магнетита во взаимных прорастаниях с минералами группы серпентина. Магнетит и другие магнитные минералы в составе серпентинитов (гетит, гидрогетит, хромшпинелиды) существенно влияют на относительную магнитную восприимчивость триботехнического состава, что значительно усиливает способность его к аутогезии магнитного происхождения. Однако, необходимо также учитывать, что в составе серпентинитов могут присутствовать зерна мелко-, средне_, а возможно и крупнокристаллического магнетита, а также хромшпинелидов, которые отрицательно влияют на износ деталей в силу своей высокой твердости, а значит, «абразивности».

Сульфиды. Довольно частой, но, очевидно, исключительно вредной в отношении триботехнических свойств, примесью в серпентинитах являются сульфиды цветных металлов - меди и никеля. Известно, что плёнки, образуемые мягкими (цветными) металлами на поверхности трибосочленений, обладают весьма малой адгезией к сталям и достаточно легко отслаиваются. Между сталями и цветными металлами возникают внутренние электрохимические процессы, вызывающие электрохимическую коррозию сталей, что постепенно приводит к разрушению поверхностных слоёв. Способность к отслаиванию приводит к образованию в маслах большого количества крупной взвеси, что способствует забиванию фильтров и масляных каналов.

Приведенные данные отнюдь не исчерпывают весь спектр возможных факторов влияния собственных свойств серпентинитов на характеристики триботехнических составов, но достаточны для довольно тривиально звучащих для геологов выводов:

1. Серпентиниты как сырье для производства триботехнических составов относятся к группе индустриальных нерудных полезных ископаемых, свойства которых при современном уровне развития техники воспроизвести синтетическим путем не представляется возможным.

2. Дальнейшее осмысленное развитие триботехнических технологий с использованием серпентинитов возможно только при условии изучения собственных триботехнических свойств серпентинитов и разработки требований (кондиций) к ним как к полезным ископаемым.

3. Организация научно обоснованной добычи серпентинитов как полезных ископаемых с заданными характеристиками позволит целенаправленно управлять параметрами производимых на их основе триботехнических составов.

Размещено на Allbest.ru