В настоящее время для уменьшения расхода смазочного материала путем снижения потерь на трение большое внимание уделяется введению в масла специальных антифрикционных присадок — модификаторов трения. К числу эффективных антифрикционных присадок относятся маслорастворимые соединения молибдена и некоторые беззольные продукты. Свойства этих присадок и их влияние на снижение трения в большинстве случаев исследованы и уже известны. Несколько лет назад гамма довольно широко применяемых модификаторов трения пополнилась еще одним принципиально новым продуктом нового поколения, а именно — добавкой к маслам на основе фуллерена С 60 . Эта присадка, разработанная в России, уже получила довольно широкое распространение у себя на родине, но в Украине работы по ее сертификации еще только проводятся. Первые шаги в изучении свойств этого препарата были сделаны на базе киевского Национального транспортного университета.
Молекулы фуллерена С 60 (карбо — s — икосаэдр) — наиболее устойчивая кластерная форма из 60 атомов углерода — имеют шаровидную форму, состоящую из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, в вершинах которых находятся атомы углерода (рис. 1). Радиус молекулы — 0,3512 мкм.
Исследование особенностей антифрикционного действия и эффективность противоизносных свойств новой добавки к маслам — фуллерена С 60 в условиях неустановившихся режимов трения.
Необходимость изучения антифрикционных способностей в этом направлении вызвана тем, что значительное влияние на организацию смазочного процесса оказывают именно неустановившихся режимы работы, составляющие в отдельных случаях более 70% всего времени работы трибомеханических систем. Неустановившиеся режимы работы связаны, прежде всего, с изменениями механизма смазочного действия и свойств поверхностных слоев металла, значительных изменений уровня воздействия определяющих факторов (периодичность пусков?остановок, динамический характер приложения нагрузки, колебания в системе, изменение температуры).
Исследование триботехнических характеристик рекомендуемой присадки проводилось по следующей схеме: 20% концентрация суспензии «Атомарный ассемблер» в индустриальном масле И-40 испытывалась на установке СМЦ-2 по схеме ролик-ролик (Ст 45, HRC 38) в период пуска в условиях качения (проскальзывание составляло 15%) при контактном напряжении 400 МПа в режиме частых пусков?остановок (разгон до суммарной скорости качения 1,92 м/с, немедленное торможение до полной остановки). Циклы разгон (4 с) — торможение (3,5 с) следуют один за другим, без перерыва. Количество циклов в эксперименте составило 3000. Объемная температура масла на протяжении эксперимента, после 2 часа повышалась постепенно до 70°С.
В условиях многоцикловых воздействий при динамическом нагружении в контакте преобладает граничный режим смазки (параметр смазочного действия (λ) масла с присадкой С 60 находится в пределах 1,207-2,104), далее, по мере наработки N > 400 циклов, характерен смешанный режим смазки с преобладанием гидродинамического в 50% циклов (λ > 4,086). По мере наработки происходит адаптация и формирование адсорбционных граничных слоев до 2,314 мкм, причем сформировавшиеся слои имеют в основном физическую природу, так как толщина хемосорбционных и химически ямодифицированных пленок составляет лишь 0,057-0,207 мкм.
В условиях частых пусков-остановок зафиксировано значительное снижение коэффициента трения по мере наработки N < 1000 — на 42%. Дальнейшее уменьшение коэффициента трения составило 14% (рис. 2).
Анализ реологических характеристик масла с добавкой фуллерена С 60 позволяет заключить, что эффективная вязкость граничных слоев в контакте по мере наработки N >640 увеличивается в 1,5-2 раза. Далее, при повышении температуры от 50 до 70°С наблюдается уменьшение эффективной вязкости в контакте в 2,5 раза. Установлено в ходе эксперимента уменьшение напряжения сдвига (τ) масляного слоя на 56%, причем наиболее интенсивно снижение τ составило по мере наработки N < 500. Как указывалось ранее, именно в этот период происходит интенсивное снижение коэффициента трения. На рис. 3 представлена экспериментальная зависимость повышения антифрикционных свойств при уменьшении напряжения сдвига масляного слоя.
Исследование противоизносных свойств коллоидной суспензии фуллерена С 60 в базовом масле И-40 установило снижение линейного износа опережающего и отстающего роликов, в среднем, на 19%, по сравнению с чистым базовым маслом И?40. Более интенсивный износ зафиксирован на опережающем ролике (1,25 мкм), в то время как на отстающей поверхности линейный износ составил 0,578 мкм. На рис. 4 приведено изменение динамики микротвердости и износа испытуемых образцов. Установлена интенсификация износа при синхронных процессах упрочнения поверхностного слоя в отстающем образце и разупрочнения поверхностного слоя металла в опережающем образце.
Увеличение линейного износа по мере наработки N <500 связано, прежде всего с процессом приработки поверхностей трения, а интенсификация износа по мере повышения температуры при N > 2050 связана с доминированием коррозионно-механической составляющей износа вследствие увеличения реакций активированной поверхности металла со смазочным материалом и истиранием поверхностей.
Анализ смазочной способности исследуемой композиции, реологических, антифрикционных и противоизносных свойств позволяет предположить о реализации следующего механизма действия в фрикционном контакте при добавлении фуллерена С 60.
Молекулы фуллерена в кристалле связанны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. При знакопеременных циклических нагрузках в условиях частых пусков — остановок кристаллическая решетка разрушается, и молекулы адсорбируются на поверхности контактирующих тел, плотно покрывая ее, и нейтрализуют силы взаимодействия между твердыми телами, предохраняют их от непосредственного контакта, имеют низкое сопротивление сдвигу и значительно снижают трение.
Нормальное нагружение, передаваемое через образуемый граничный слой воспринимается контактирующими поверхностями распределенным. В таких условиях деформация тонких поверхностных слоев осуществляется механизмами трансляции, двойникования, поворота зерен и фрагментов микроструктуры в направлении действия тангенциальных сил. В местах непосредственного контакта происходит направленная деформация — текстурирование поверхностных микрообъемов металла, что связано с приспосабливаемостью поверхностей трения в условиях нагружения.
Мы предполагаем, что фуллерен С 60 , адсорбируясь на поверхности контактирующих тел, образует текстурированный слой с анизотропными прочностными свойствами, значительно снижающий коэффициент трения.
Известно, что процессы текстурирования играют определяющую роль в слоистых материалах типа дисульфида молибдена, для которых обнаружена ориентация кристаллов поверхностного слоя МоS 2 , которая является следствием «залечивания» поверхностных дефектов в процессе сверхнизкого трения.
Аналогичное исследование было проведено относительно антифрикционных свойств дисульфида молибдена (4% раствор присадки фирмы Liqui Moly в масле И?40) в аналогичных условиях эксперимента. На основании полученных результатов установлено, что снижение коэффициента трения при использовании фуллерена С 60 происходит на 20% эффективнее (рис.1), что, на наш взгляд, связано с шаровидной формой молекулы фуллерена.
На основании вышеизложенного можно заключить, что добавление коллоидной суспензии фуллерена С 60 к маслам в нестационарных условиях трения обусловливает повышение антифрикционных и противоизносных свойств смазочного материала, что является перспективным направлением применения данной присадки в качестве нового модификатора трения.
д.т.н., профессор, Дмитриченко Н.Ф.
д.т.н., профессор, Мнацаканов Р.Г.
аспирант, Микосянчик О.А.
autoExpert.com.ua
