Работоспособность пластичного смазочного материала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Работоспособность пластичного смазочного материала

П.В. Тихомиров,

В.П. Тихомиров

Аннотация

На примере Литола-24 рассмотрен процесс деградации смазочного материала в процессе эксплуатации. Показано, что ухудшение трибологических показателей связано с окислением смазочного материала. Представлен механизм окисления.

Ключевые слова: пластичный смазочный материал, работоспособность, окисление, добавление присадок, изнашивание.

Пластичные смазочные материалы (ПСМ) широко применяются в технических устройствах (например, для смазывания шарниров рулевого управления автомобиля, подвесок, ступиц передних колес с дисковыми тормозами, карданных шарниров и т.д.). В качестве ПСМ часто используют Литол-24 (ГОСТ 21150-87).

Литол - это пластичный многоцелевой смазочный материал, получаемый загущением нефтяных масел (вязкость 30…50 мм 2/с при 50 0С) 12-гидроксистеоратом лития (12 % по массе). Литол содержит антиокислительную присадку, обладает хорошей водостойкостью. Этот материал механически стабилен, работоспособен при температурах от -40 до +130 0С.

При тяжелых режимах эксплуатации узлов трения износостойкость пар трения, смазываемых пластичными смазочными материалами, оказывается недостаточной. Для повышения работоспособности подобных узлов трения в пластичный смазочный материал следует добавлять многофункциональные присадки. Так, для повышения износостойкости предлагается использовать металлоплакирующие присадки. Эксперименты показали, что Литол-24 не является самым износостойким смазочным материалом. По сопротивлению питтингу он уступает пластичному смазочному материалу №158 (ТУ 38.101.320-77). Таким образом, в связи с широким использованием Литола-24 в узлах трения повышение его износостойкости является актуальной задачей.

Для улучшения трибологических характеристик в качестве добавок к Литолу-24 вводились тонкодисперсные порошки цинка, кадмия и оловянистой бронзы. Размер частиц порошка не превышал 10 мкм, а концентрация добавок цинка и кадмия находилась в пределах от 0,75 до 10% по объему, порошка оловянистой бронзы - от 3,5 до 10% по объему.

Анализ полученных данных показал наличие больших возможностей для заметного улучшения эксплуатационных характеристик трибосопряжений за счет образования на поверхностях трения защитной (сервовитной) пленки, имеющей гетерогенную структуру. Основу этой пленки составляет тонкодисперсная механическая смесь зерен цинка и кадмия с отдельными включениями частиц цинка.

Известно, что в процессе трения происходит мгновенное локальное оплавление металлоплакирующего слоя и его мгновенная локальная кристаллизация. Последующее пластическое деформирование наплавленных объемов приводит к снижению шероховатости, уменьшению контактного давления и снижению средней поверхностной температуры вследствие постепенного уменьшения числа мгновенных температурных вспышек.

Были также проведены испытания на фреттингостойкость, когда в качестве добавки к Литолу-24 применялся мелкодисперсный порошок оксида железа.

Влияние смазочного материала и числа циклов нагружения на интенсивность изнашивания стали 12ХН 3А при постоянной амплитуде микроскольжения (0,1 мм), нагрузке 20 Н и частоте 100 мин-1 приведено в таблице.

Таблица

Влияние смазочного материала и числа циклов на интенсивность изнашивания

Химический анализ продуктов взаимодействия элементов узла трения с порошком оксида железа свидетельствует о том, что в зоне контакта происходят окислительно-восстановительные реакции. Восстановителем оксидов железа является водород, образующийся при термическом разложении смазочного материала. Шероховатость поверхности при введении в Литол-24 мелкодисперсного порошка оксида железа (ржавчины) снижается, при этом уменьшается образование микротрещин на поверхностях трения.

Применение порошков мягких металлов и оксидов железа в виде добавок к пластичному смазочному материалу приводит к улучшению эксплуатационных свойств узлов трения за счет снижения температуры в зоне трения и уменьшения окисления смазочного материала.

При граничной смазке снижение трения происходит при протекании окислительных процессов определенной интенсивности. Окисные пленки на поверхностях трения образуются совместно с окислением основной части масла.

Присутствие между трущимися поверхностями углеводородов, стойких к окислению, способствует снижению трения только при интенсивной подаче кислорода в зону трения.

В случае присутствия легкоокисляющихся углеводородов избыток кислорода вызывает рост окисных пленок, рыхлых по своей структуре. Разрушение таких пленок приводит к схватыванию металлов, наблюдается колебание силы трения при увеличении среднего значения коэффициента трения. Оптимальными считаются условия динамического равновесия образования и разрушения окисных пленок.

С целью изучения процесса окисления Литола-24 были взяты пробы смазочного материала, проработавшего в шаровых опорах автомобиля.

Износ вследствие фреттинг-коррозии наблюдается в верхней части шаровой опоры. При этом на металлических пятнах контакта происходит окисление металла и локальное разрушение окисной пленки. На рис. 1 представлены инфракрасные спектры смазочного материала в исходном состоянии и после эксплуатации.

Анализируя спектр Литола-24 до эксплуатации, необходимо отметить следующее. В состав данной смазки входят парафиновые углеводороды (23%), производные бензола (27%), предельные карбоновые гидрокси-кислоты (17%), вторичные алкиламины и алкилнитросоединения (13%), фенолы (5%), алкилсульфиды (5%), нафтеновые соединения (7%), оставшиеся 3% приходятся на простые эфиры и замещенные производные этилена. Полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными [1].

Таким образом, основная органическая составляющая смазочного материала - предельные, ароматические и нафтеновые углеводороды. В качестве загустителя используется 12-гидроксистеорат лития (пики 1080 и 1790 см-1 на рис. 1а).

В состав Литола-24 добавляют антиокислительную присадку. Состав присадки не расшифровывается, его можно установить, анализируя спектральные данные (рис. 1а).

В качестве антиокислительных присадок обычно используют вещества, которые легко окисляются, связывая кислород. К таким веществам относятся вторичные алкиламины (1580 см-1) и фенолы (3300 см-1).

а)

б)

Рис. 1. ИК-спектры Литола-24: а - исходное состояние; б - после 50 тыс. км пробега

В качестве противоизносной добавки в данном типе смазок используются алкилсульфиды (520 см-1), что не противоречит литературным данным и стандарту на смазочные материалы.

В процессе эксплуатации уменьшается вязкость Литола-24, снижается маслянистость и прочность масляной пленки. Снижение вязкости, видимо, связано с деструкцией 12-гидроксистеората лития вследствие процессов окисления. Так как в ходе окислительной деструкции образуется смесь карбоновых кислот, характеризующаяся меньшей молекулярной массой, общая вязкость смазки уменьшается. Описанный процесс окисления хорошо согласуется с полученными экспериментальными данными, поскольку в процессе эксплуатации в составе Литола-24 возрастает доля соединений, содержащих карбоксильные группы (пик 1740 см-1 на рис. 1б).

Необходимо отметить, что 12-гидроксистеорат лития разрушается только после того, как окисляются составляющие антиокислительной добавки - фенол и алкиламины. литол смазочный нефтяной

Схема процесса окисления фенола приведена на рис. 2.

Первичные амины с аминогруппой у третичного углеродного атома окисляются с образованием алкилгидроксиламина, нитрозосоединения и, наконец, нитросоединения:

.

Рис. 2.Схема процесса окисления фенола

Достоверность образующихся продуктов окисления подтверждается экспериментальными данными. На рис. 1б выявлены дизамещенные производные бензола (680-750 см-1) и алкилнитросоединения (1550 см-1). Снижение маслянистости и прочности масляной пленки можно объяснить деструкцией противоизносной добавки - алкилсульфидов.

Механизм действия алкилсульфидной добавки может быть описан следующим образом. Серосодержащие соединения в условиях контактных температур могут:

1) реагировать с металлом по схеме

;

2) отщеплять сероводород, реагирующий затем с металлом:

,

;

3) отщеплять при разложении элементарную серу, которая, взаимодействуя с металлом, образует сульфиды:

,

.

Сульфиды металлов действуют подобно адсорбционным пленкам, экранируя поверхности и уменьшая трение. Достоверность описанного механизма подтверждается спектральными данными (пик 600 см-1 на рис. 1б). Снижение активности сульфидов объясняется тем, что в условиях повышенных температур они переходят в сероводород.

Для оценки работоспособности смазочного материала предложены показатели для моторных масел [2]. Для пластичных смазочных материалов требуются дополнительные трибологические исследования с целью установления инженерных показателей работоспособности.

Таким образом, анализируя данные об изменении основных характеристик смазки Литол-24 в процессе эксплуатации, можно сделать следующие выводы:

1. Снижение вязкости обусловлено окислительной деструкцией 12-гидроксистеората лития.

2. Снижение маслянистости и прочности масляной пленки обусловлено переходом алкилсульфидов в сероводород.

3. Повышению эксплуатационных характеристик Литола-24 может способствовать введение дополнительных антиокислительных присадок, таких, как ароматические амины (ряда анилина), и использование противоизносных присадок, содержащих фосфор, серу и хлор или соединения меди. С научной и практической точек зрения интерес представляет введение в пластичный смазочный материал порошкообразных оксидов железа.

Список литературы

1. Курчик, Н.Н. Смазочные материалы для обработки металлов резанием (состав, свойства и основы производства)/Н.Н. Курчик, В.В. Вайншток, Ю.Н. Шехтер. - М.: Химия, 1972. -312 с.

2. Лейметер, Т. Выбор и обоснование показателей работоспособности моторных масел/Т. Лейметер, И.Г. Фукс//Трение и смазка в машинах и механизмах.- 2007.-№6.-С. 37-45.

Размещено на Allbest.ru