Влияние геоматериалов на триботехнические свойства пар трения

1.

Введение

Современное машиностроение характеризуется сложными условиями эксплуатации машин, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т. п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к материалам, в частности высокой надежности и долговечности деталей, из которых они выполнены. Материалы деталей, находящихся в условиях трения, должны обладать высокой износостойкостью. По статистике большинство машин (85−90%) выходят из строя в результате износа поверхностей деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость. Чтобы решить вопросы повышения износостойкости трибообъектов необходимо стремиться к управлению процессом трения — грамотно подбирать материалы по трению и износостойкости, рационально конструировать подвижные сопряжения и оптимизировать условия эксплуатации.

Большое количество вариантов протекания процессов в зоне трибоконтакта при высоких температурах, сложных физико-химических и тепловых реакций, а также из-за невозможности непосредственно наблюдения за прохождением данных процессов, затрудняет управление процессами трения в трибоконтакте. Поэтому сейчас наиболее перспективными направлениями повышения износостойкости являются те направления, которые связаны с эффектами самоорганизующихся процессов.

Одним из таких направлений является «Безразборное восстановление» это не просто возврат (введение) в зону трения изношенного конструкционного материала, а комплекс мероприятий по очистке и регулировке всей машины или агрегата, восстановлению свойств смазочного материала и конечно же, по частичному восстановлению поверхности пар трения, прежде всего на нано и микроуровне. В ряде случаев, при обработке различных пар трения — этого достаточно для полного или частичного восстановления соединений до номинальных или ремонтных геометрических размеров с одновременным повышением их трибологических свойств. Суть метода — это введение в масло различных добавок, минеральных модификаторов поверхности трения (в дальнейшем ММПТ), которые при тех или иных условиях эксплуатации трибообъекта снижают коэффициент трения, повышают прочность, а в ряде случаев наблюдается прирост массы, что свидетельствует об восстановлении и значительном повышении ресурса трущихся деталей.

Улучшить данный метод возможно путём добавления в смазочную композицию тонкодисперсных абразивных включений, которые производят микрошлифовку и очистку поверхности трения, от различного рода деструктивных отложений и окисных пленок, что в свою очередь позволит на «чистой — ювенальной?» поверхности сформировать более качественный металлокерамический защитный слой.

Данная дипломная работа посвящена изучению влияния геоматериалов на триботехнические свойства пар трения. В частности будет рассмотрено влияние абразивных включений на основе фулереноподобных материалов на триботехнические свойства антифрикционновосстановительного состава ММПТ.

2. Литературная часть

2.1 Геоматериалы Горные породы — главный источник геоматериалов, которые используются во многих сферах науки и промышленности. Это природные образования более или менее определенного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела.

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы:

1. Магматические породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы;

2. Осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов выветривания и разрушения различных горных пород;

3. Метаморфические породы, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления горных пород к изменившимся в земной коре физико-химическим условиям.

Минералы группы кремнезема. К минералам этой группы относят кварц. Он может находиться как в кристаллической, так и аморфной форме.

Кристаллический кварц в виде диоксида кремния SiО₂ — один из самых распространенных минералов в природе. Аморфный кремнезем встречается в виде опала SiО₂ x NH₂О. Кварц отличается высокой химической стойкостью при обычной температуре. Кварц плавится при температуре около 1700оС, поэтому широко используется в огнеупорных материалах.

Минералы группы алюмосиликатов — полевые шпаты, слюды, каолиниты. Полевые шпаты составляют 58% всей литосферы и являются самыми распространенными минералами. Разновидностями их являются ортоглаз и плагиоклазы. Ортоклаз — калиевый полевой шпат — K₂О x Al₂О₃ x 6SiО₂. Имеет среднюю плотность 2,57 г/см3, твердость — 6−6,5. Является основной частью гранитов, сиенитов. Плагиоклазы — минералы, состоящие из смеси твердых растворов альбита и анортита.

Альбит — натриевый полевой шпат — Na₂О x Al₂О₃ x 6SiО₂. Анортит — кальциевый полевой шпат — CaO x Al₂О₃ x 2SiО₂.

Плагиоклазы входят в состав кислых и основных горных пород.

Предел прочности полевых шпатов при сжатии составляет 120−170 МПа, что ниже прочности кварца. Они выветриваются под воздействием воды, содержащей углекислоту, в результате чего образуется каолинит.

Слюды — водные алюмосиликаты слоистого строения, способные расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее часто встречаются два вида — мусковит и биотит. Мусковит — калиевая бесцветная слюда. Обладает высокой химической стойкостью, тугоплавка. Биотит — железисто-магнезиальная слюда черного или зелено-черного цветов.

Железисто-магнезиальные силикаты. Минералами этой группы являются пироксены, амфиболы и оливин. К пироксенам относят авгит, входящий в состав габбро, к амфиболам — роговую обманку, входящую в состав гранитов. Оливин входит в состав диабазов и базальтов. Продукт выветривания оливина — хризотил-асбест. Эти минералы являются силикатами магния и железа и имеют темную окраску. Они обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания.

В данной дипломной работе в качестве абразивных включений был применён шунгит. Смазочные композиции минеральных модификаторов поверхности трения были выполнены на основе серпентинитов.

2.1.1 Шунгит Шунгит — уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в их состав углерода и структуре самих пород.

Шунгитовый углерод — это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры, см. ниже) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы — кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO2 (57,0%), TiO2 (0,2%), Al2O3 (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К2О (1,5%), S (1,2%).

История открытия шунгита необычна. Шунгит получил своё название в 1887 году от посёлка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера. Сначала ученые думали использовать этот загадочный минерал как противогарное покрытие при производстве чугуна, как

Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм. Свойства шунгитовой породы определяются двумя факторами: во-первых, свойствами шунгитового углерода, во-вторых, структурой породы, взаимоотношениями углерода и силикатов.

В конце двадцатого века ученые частично объяснили причины целебного действия шунгита. Этот минерал в основном состоит из углерода, значительная часть которого очень напоминает молекулы сферической формы — фуллерены.

2.1.1.1 Фуллерены Фуллерены — особая форма углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.

До недавнего времени считалось, что углерод имеет только три формы существования — алмаз, графит и карбин. Эти вещества отличаются своим строением. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.

Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода. Уникальность фуллерена в том, что молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) -это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

В фуллерене плоская сетка шестиугольников — графитовая сетка свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения — каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной связью.

Образуется структура — усеченный икосаэдр, который имеет 10 осей симметрии третьего порядка, 6 осей симметрии пятого порядка. Каждая вершина этой фигуры имеет трех ближайших соседей. Каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиугольниками. Каждый атом углерода в молекуле C₆₀ находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода. Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки 0,1 нм, радиус молекулы С₆₀ 0,357 нм. Длина связи С—С в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике — 0,139 нм. Молекулы высших фуллеренов С₇₀ С₇₄, С₇₆, С₈₄, С₁₆₄, С₁₉₂, С₂₁₆, также имеют форму замкнутой поверхности. Фуллерены с n< 60 оказались неустойчивыми, оказались неустойчивыми, хотя из чисто топологических соображений наименьшим возможным фуллереном является правильный додекаэдр С₂₀. При этом кристалл фуллерита имеет плотность 1,7 г/см ³, что значительно меньше плотности графита (2,3 г/см ³) и алмаза (3,5 г/см).

Благодаря своему сетчато-шарообразному строению фуллерены оказались идеальными наполнителями и идеальной смазкой. Они катаются, словно шарики размером с молекулу между трущимися поверхностями. Комбинируя внутри углеродных шаров разные атомы и молекулы, можно создавать самые фантастические материалы будущего.

Фуллерены могут использоваться в нанотехнологии, медицине, ракетном строительстве, в военных целях, электронике, оптикоэлектронике, машинном производстве, в производстве технической продукции, компьютеров и др., и во всех случаях рабочие параметры оборудования значительно улучшаются, качество повышается, технологии становятся более эффективными и простыми. Например, американские исследователи учёные разработали технологию, которая позволяет на любую поверхность нанести тончайшие элементы солнечных батарей — они представляют собой многослойную полимерную пленку, содержащую все те же фуллерены. Такие элементы обладают пока примерно в четыре раза более низким коэффициентом полезного действия, чем традиционные батареи на основе кремния, но они значительно проще и дешевле в производстве. Возможно, уже в ближайшем будущем промышленность начнет выпускать солнечные батареи рулонами — как обои. В одном из университетов Швеции в ходе опытов с фуллеренами неожиданно для самих ученых был получен слоеный материал, напоминающий фольгу, проложенную тонкими слоями бумаги. Прозрачный и гибкий материал оказался магнитом и сохранял свои свойства даже при температуре свыше 200 градусов. Его вполне возможно использовать для создания компьютерной памяти с помощью записи лазерным лучом. Благодаря этому достигается очень высокая плотность носителя информации.

Основное препятствие — высокая цена искусственных изотопов. Стоимость фуллеренов самого высокого качества составляет около 900 долларов США за грамм, более низкого качества — около 40 долларов за грамм в зависимости от степени чистоты фуллеренов. Эти «недостатки» искусственных фуллеренов искупают фуллерены природные, которые были обнаружены в земной коре после открытия уникального вещества в научных лабораториях.

Впервые о земном существовании уникального вещества научный мир узнал после того, как один из бывших советских ученых исследовал в Аризонском университете (США) образцы карельских шунгитов, и, к удивлению, обнаружил там углеродные глобулы с фуллеренами. После этого и начался интенсивный поиск других пород, содержащих фуллерены, возникли вопросы об их происхождении на Земле.

Позднее земные фуллерены были найдены в Канаде, Австралии и в Мексике — и в каждой из этих стран они были обнаружены на местах падения метеоритов. При этом некоторые фуллерены были заполнены: внутри оболочек находились атомы гелия. Странным оказался тот факт, что фуллерены хранили не гелий-4 — изотоп, который обычно присутствует в земных породах, — а редкий для Земли изотоп гелий-3.

По мнению ученых такие фуллерены могли образоваться только в космических условиях, в так называемых углеродных звездах или в ближайшем их окружении. Удалось определить время появления исследованных фуллеренов на Земле. Кратер от падения канадского метеорита образовался около двух миллиардов лет назад, в архейскую эру, когда Земля еще была безжизненна. Другие фуллерены были обнаружены на границе отложений пермского и триасового периодов, их возраст оценен в 250 млн. лет. Именно тогда в Землю врезался гигантский астероид, вызвавший катастрофические разрушения.

Шунгит обладает высокой активностью в окислительно-восстановительных процессах, сорбционными и каталитическими свойствами и находится в тесном контакте с входящими в его состав силикатами. По данным работ выполненных в ВИМСе и Химико-технологическом университете им. Менделеева шунгитовый сорбент проигрывает активированному углю на первом этапе, в течение первых 250 часов, а в дальнейшем начинает очищать раствор с более высокой и постоянной скоростью. Это объясняется каталитическими свойствами шунгита, способностью каталитически окислять сорбируемые органические вещества.

Шунгит как сильный восстановитель поглощает кислород из воды. В процессе химического взаимодействия с этим кислородом образуется атомарный кислород, являющийся сильнейшим окислителем и окисляющий сорбированные органические вещества до CO2 и H2O и освобождающий поверхность шунгита для новых актов сорбции.

Длительное действие шунгита по отношению к растворенным металлам объясняется тем, что металлы переводятся шунгитом в форму нерастворимых карбонатов. Этому способствует процесс окисления органических веществ до CO2.

Такая структура и свойства шунгита определяют эффективность его использования в окислительно-восстановительных процессах:

· в доменном производстве литейных (высококремнистых) чугунов;

· в производстве ферросплавов;

· в производстве фосфора;

· в производстве карбида и нитрида кремния;

· как наполнитель термостойких красок.

Именно сорбционные, каталитические и восстановительные свойства шунгитовых пород позволяют успешно очищать сточные воды от многих органических и неорганических веществ (нефтепродуктов, пестицидов, фенолов, поверхностно-активных веществ и др.).

Единственное месторождение шунгитовых пород — Зажогинское, находится в Медвежьегорском районе Республики Карелия в 5 км от судоходной губы Онежского озера. Производственная мощность предприятия по добыче и переработке шунгита — 200 тыс. тонн в год. Шунгитные запасы Зажогинского месторождения составляют 35 млн тонн. В настоящее время предприятие поставляет шунгит для доменного производства литейного чугуна, водоочистки и производства тонких порошков. При производстве литейного чугуна 1 тонна шунгита заменяет 1,3 тонны кокса. Использование шунгита обеспечивает глубокую очистку сточных вод от нефтепродуктов.

2.1.1.2 Структура, состав и свойства шунгита Шунгит — необычная углеродсодержащая порода. Её необычность — в структуре и свойствах шунгитового углерода и его взаимоотношениях с силикатными компонентами.

Шунгитовый углерод Шунгитовый углерод — элементарный углерод со специфичной шунгитовой структурой. Основу её представляет многослойная глобула размером около 10 нм. Такая структура очень активная в окислительно-восстановительных реакциях, обладающая сорбционными и каталитическими свойствами.

Нанодифракционна картина шунгитового углерода (зонд 0,3 — 0,7 нм.)

Структура шунгита Углерод в породе образует матрицу, в которой распределены высокодисперсные силикаты с размером частиц 0,5 — мкм.

Структура шунгитовой породы Состав шунгита Зажогинское месторождение представлено шунгитами следующего состава:

Основные минералы, входящие в состав шунгита:

углерод…30

кварц…45

сложные силикаты (слюды, хлориды)…20

сульфиты…3

Химический состав шунгита (масс. %):

Породы в пределах Зажогинского месторождения достаточно стабильны по составу. Сумма (C+SiO₂) находится в пределах 83 — 88%

Распределение углерода в шунгитах Зажогинского месторождения Распределение диоксида кремния в шунгитах Зажогинского месторождения Свойства шунгита Плотность 2,1 -2,4 г/см³.

Пористость до 5%.

Прочность на сжатие 1000−1200 ктс/см³.

Электропроводимость 1500 сим/м.

Частицы шунгита, независимо от их размера, обладают биполярными свойствами. Следствием этого является высокая адгезия и способность шунгита смешиваться без исключения со всеми веществами.

В термических процессах между углеродом и силикатами происходит интенсивная окислительно-восстановительеая реакция с образованием металлического кремния

Sio₂+2C —> Si+2CO

или карбида кремния SiO₂+3C —> SiC+2CO

Реакции эти в шунгите осуществляются более энергично, с меньшими энергозатратами, чем в традиционной шихте на основе кремнезема и кокса.

Поверхность дробленых, молотых и тонкомолотых материалов на основе шунгита Зажогинского месторождения обладает биполярными свойствами, поэтому шунгитовые наполнители способны смешиваться без исключения со всеми связующими как органической, так и неорганической природы.

Физические свойства шунгита:

Плотность — 2,25−2,40 г/см³; пористость — 0,5−5%; прочность на сжатие 100−150 Мпа; модуль упругости (Е) — 0,31*10⁵ Мпа; электропроводность — (1−3) х 10³ сим/м; теплопроводность — 3,8 вт/м· к. Среднее значение к.т.р. в интервале температур 20−600 ⁰С — 12×10 ^-6 1/град.

Порода обладает сорбционными, каталитическими, бактерицидными свойствами, биологической активностью, способностью поглощать и нейтрализовать электромагнитные излучения высоких частот.

Применение шунгита.

Абсорбирующие свойства молекул шунгита, электропроводность и их шарообразная форма, прекрасно используются:

· в разработках современнейших нано-технологий, при формировании новейших сплавов и материалов, для космических, военных и энергетических нужд;

· в машиностроении, для производства различных добавок и смазок для узлов и агрегатов механизированной техники;

· в строительстве, в качестве кирпича или композита в штукатурных смесях, используемые при возведении экранирующих помещений, для защиты от воздействия различного рода излучений например «шунгитовых комнат» ;

· в электроснабжении, в виде красок, которые позволяют получать электропроводные поверхности;

· в сельском хозяйстве, посредством фильтрации мелиоративных вод, в значительной мере повышающие урожайность и качество выращиваемых культур.

При всем, при этом — это далеко не полный список, где возможно применение шунгита, притом, что не все их полезные свойства до конца изучены.

2.1.2 Серпентиниты Змеевик, или серпентин (от латинского слова «серпенс» — змея) — чрезвычайно распространенный камень: порой он образует целые горы. Змеиный камень использовали еще ольмеки в Центральной Америке задолго до прибытия Колумба — из него изготавливали украшения и мозаику. В Европе его начали использовать около 400 лет назад, и особенно активно шла обработка змеевика в Германии — из него делали аптекарские сосуды, безделушки, туалетные и письменные приборы. В европейских странах, где церковь была неотделима от государства, бытовала легенда, что Адам, вкусив запретный плод, подавился и выплюнул его, а яблочный огрызок превратился в серпентин. В России змеевик начал пользоваться популярностью после открытия в 18-м веке на Урале обширных залежей камня. Из него изготавливали сервизы, которые и сейчас сохранились в Гатчинском и Павловском дворцах Санкт-Петербурга, а также столешницы, вазы, канделябры, шкатулки, часы… В 20-м веке змеевиком отделали станцию метро «Щелковская» в Москве. Однако все же камень этот до недавнего времени был в тени своих знаменитых земляков, таких, как малахит, родонит и лазурит — например, на Урале змеевик считался более доступным заменителем малахита. Месторождения змеевика и по сей день распространены по всему миру: в США, на Кубе и в Новой Зеландии, в России — на Урале, Алтае, Северном Кавказе и в Забайкалье, в Европе — в Швейцарии, Германиии и Италии, в Азии — в Индии, Казахстане, Монголии, Афганистане.

Цвет камня действительно напоминает расцветку змеи — основной тон зеленый, но это не изумрудная зелень малахита, а приглушенно-оливковый или яркий желто-зеленый оттенки. Гладкая и блестящая поверхность пронизана жилками, полосками и пятнами бурого, желтого или даже беловатого цвета, вызывая ассоциации с изменчивыми переливами змеиной чешуи. У него множество названий — кроме серпентина, его называют толигор, антигорит, моховик, корейский жад; в США он бовенит, в Мексике и Швейцарии — риколит. Змеевик прекрасно полируется и легко поддается обработке — это, вместе с красивой расцветкой и по-прежнему обширными месторождениями, постепенно выводит его на первый план среди прочих декоративно-поделочных самоцветов, чьи запасы быстро иссякают. Сегодня змеевик среди других видов поделочного камня — один из самых популярных материалов для отделки интерьера. Это и облицовка стен и украшение интерьера в бассейнах, ванных комнатах и туалетах, и отделка полов и лестниц, и изготовление столешниц для каминов и подоконников, а также журнальные столики, мозаики, декоративная скульптура. змеевик используют и для создания предметов декора — шкатулок, подсвечников, ламп, статуэток, часов, шахмат, пепельниц, письменных и курительных наборов. Особенно хорошо он сочетается с благородным блеском бронзы или с контрастными по цвету деталями из других видов камня — белого мрамора, черного обсидиана, розового родонита.

Происхождение.

Серпентиниты образуются в процессе массового гидротермального изменения ультраосновных, главным образов оливинсодержащих пород (дунитов, перидотитов и др.). Легче всех замещению серпентином подвергаются оливин и энстатит, затем диопсид, роговые обманки и др. Этот метаморфизм, повидимому проявляющийся уже после того как массивы изверженных пород сформировались, является аналогичным другим массовым процессам, например хлоритизации и соссюритизации основных изверженных пород. Переход оливина в серпентин происходит с увеличением объема. Не раз отмечалось, что вокруг вкрапленных зерен серпентинизированного оливина в полевошпатовых породах наблюдаются радиально расходящиеся трещинки, свидетельствующие о динамическом воздействии вновь образующейся массы на окружающую среду. Этим же, по-видимому, объясняется наличие в серпентинитах многочисленных мелких смещений с зеркалами скольжения в самых различных направлениях.

Змеевик — группа минералов одинакового состава, но разной симметрии. Включает несколько минеральных видов: антигорит (Mg, Fe2+)3Si2O5(OH)4; хризотил (клинохризотил, ортохризотил, парахризотил) Mg3Si2O5(OH)4; лизардит Mg3Si2O5(OH)4. Кристаллы — непрозрачные. Блеск — шелковистый, стеклянный. Твердость по шкале Мооса— 2,0−3,0, плотность —2,6г/см3.

Химический состав. MgO 43,0%, SiO₂ 44,1%, H₂O 12,9%. Соотношения компонентов несколько колеблются, особенно в разностях, аналогичных типичным коллоидам, более богатым водой (обычно до 13−17%). В виде примесей почти всегда присутствуют FeO, Fe₂O₃ и NiO.

2.3 Общие предпосылки безразборного восстановления Теоретическими предпосылками безразборного сервиса (восстановления) явились исследования в теории самоорганизации, предсказанной бельгийским физиком и физикохимиком русского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (лауреат Нобелевской премии по химии 1977 г. «за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур». И. Р. Пригожин в Бельгию был привезен родителями из России в раннем детстве. В 1982 г. он был избран иностранным членом Академии наук СССР, а с 1991 г. является иностранным членом Российской академии наук — РАН.)

В прикладном плане безразборный сервис базируется на научных открытиях российских ученых. К ним в первую очередь, относится явление избирательного переноса при трении (эффекта безызносности), открытое и исследованное Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским [4−5]. Другим немаловажным открытием в этой области является эффект пластифицирования поверхностей трения в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ), сделанное Петром Александровичем Ребиндером и его учениками. В тридцатых годах XX века П. А. Ребиндер открыл эффект понижения прочности твердых тел, благодаря адсорбции поверхностно-активных веществ, что приводит к облегчению выхода дислокаций. Теоретическую возможность создания условий безызносного трения подтверждает факт открытия в 1969 г. эффекта аномально низкого трения (АНТ) твердых тел, обнаруженного группой ученых Аскольдом Александровичем Силиным, Евгением Анатольевичем Духовским, Виктором Львовичем Тальрозе и др. Ими было установлено, что при бомбардировке полиэтилена и пропилена в вакууме потоком атомов гелия (или некоторыми другими химическими элементами) коэффициент трения уменьшался на два порядка до значения ниже 0,001 (предел чувствительности измерительной установки), что можно говорить о его исчезновении. Интенсивность изнашивания при этом, естественно, резко снизилась.

На основании дальнейших исследований, в том числе во ВНИИ оптико-физических измерений, было выявлено, что при облучении тончайшего поверхностного слоя вещества ускоренными атомами происходит его переход в упорядоченное состояние. Силин А. А. позднее в своей книге «Трение и мы» (1987 г.) пишет: «Экспериментально подтверждалось, что фундаментальной причиной трения служит отнюдь не механическое деформирование дорожки, а адгезионный эффект, сконцентрированный в тончайшем поверхностном слое. Реализация такого эффекта, основанного на непрерывном обмене адгезионных связей, требует толщины слоя всего 10-⁷ см {1,0 нм — Прим. автора}, т. е. порядка удвоенной толщины атома. Таким образом, опыты с эффектом АНТ в данном случае однозначно подтверждали адгезионную теорию сухого трения… Не исключено, что при этом важную роль играет явление самоорганизации"[6]. Безразборный сервис транспортных средств является дальнейшим развитием исследований в этих областях и, как видно из приведенных выше данных, в основном базируется на положениях нанонауки. Термин стал широко применяться в последовавших за этим многочисленных публикациях и нескольких монографиях по данному новому научно-практическому направлению. Во вступительном слове на открытии научно-практической конференции „Нанотехнологии и информационные технологии — технологии XXI века“ (24 мая 2006 г.), организованной Министерством образования и науки РФ и Российской академией наук, советник Президента России профессор Асланбек Аслаханов высоко оценил результаты исследований в этой области, заявив: „Безразборный сервис машин и механизмов“ является одним из эффективных направлений практического применения наноматериалов».

2.4 Группы препаратов на рынке автохимии России Наноматериалы и нанотехнологии находят всё большее применение в различных химических препаратах для автомобильной промышленности, называемых потребителями попросту «автохимией» и «автокосметикой». К таким разработкам относятся различные ремонтно-эксплуатационные присадки и добавки к топливу и смазочным материалам, а также лакокрасочные покрытия, шампуни, полироли и некоторые другие товары.

Совместное использование теоретических положений и практических достижений трибологии (греч. tribos — трение, logos — наука — изучает контактное взаимодействие твердых тел при их относительном движении, включая весь комплекс вопросов трения, изнашивания, смазки) и нанотехнологии, позволяет использовать трение, не как разрушительное явление природы, а как самоорганизующийся созидательный процесс, в том числе для безразборного восстановления агрегатов и узлов техники в процессе их непрерывной эксплуатации. Под безразборным сервисом (англ. service — производить осмотр и текущий ремонт) подразумевается комплекс технических и технологических мероприятий, направленных на проведение операций технического обслуживания и ремонта узлов и механизмов без проведения разборочно-сборочных операций с применением передовых разработок химической промышленности. Безразборный сервис может включать операции обкатки (приработки), диагностики, профилактики (сезонной подготовки), автохимического тюнинга, очистки и восстановления, как отдельных соединений, так и агрегатов и механизмов в целом.

В условиях недостатка финансовых средств у большинства населения, определенного дефицита доступных качественных топливно-смазочных материалов проблема поддержания в работоспособном состоянии отечественной и импортной техники может быть во многом решена за счет применения специальных ремонтно-эксплуатационных препаратов, в том числе разработанных на основе наноматериалов и нанотехнологий. Известные автохимические препараты для безразборного сервиса автотракторной техники могут быть отнесены к нанотехнологическим разработкам по трем основным критериям:

· применение в их составе наноразмерных частиц (ультрадисперсные алмазы, металлические порошки, политетрафторэтилен (PTFE), модифицированный графит и т. д.);

· использование компонентов, полученных (произведенных) с использованием нанотехнологий, например золь-гель технологии (рекондиционеры);

· формирование на поверхностях трения вследствие взаимодействия с активными компонентами этих препаратов защитных наноразмерных (наноструктурированных) покрытий и структур (ионные металлоплакирующие присадки, кондиционеры, геомодификаторы).

Несомненно, что все вышеперечисленные свойства в той или иной мере присущи практически всем ремонтно-восстановительным препаратам автохимии, применяемых для безразборного сервиса (восстановления) автотехники. В одних случаях, они являются определяющими для того, чтобы быть отнесенными к нанотехнологическим препаратам, а в других, могут быть отнесены к вспомогательным (дополнительным) эффектам. Например, во всех препаратах наряду с макрочастицами могут находиться и наноразмерные частицы. Следует также отметить тот факт, что практически все вопросы трибологии связаны с изучением процессов, протекающих в поверхностном слое (межфазной границе) контактируемых деталей.

При этом самым простым наноматериалом препарата автохимии или автокосметики могут служить фрагменты вещества, измельченные до наноразмерного состояния или полученные каким-то другим физическим или химическим способом, имеющие хотя бы в одном измерении протяженность не более 100 нм и проявляющие качественно новые свойства (физико-химические, функциональные, эксплуатационные и др.). Это могут быть и сферические (многогранные) частицы (рис.1), нановолокна (например, PTFE) (рис.2) или иглы серпентина (рис.3).

Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире — от атомов и молекул до их кластеров и полимерных органических молекул, содержащих свыше 100 атомов и имеющих размеры даже более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из небольшого числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества, квантовые эффекты, энергетика развитой поверхности наноструктур.

Применение ремонтно-восстановительных препаратов для безразборного сервиса определяется техническим состоянием автомобиля. При этом необходимость того или иного воздействия или препарата оценивается на основании результатов технической диагностики. По результатам диагностирования назначается либо профилактические препараты, более «мягкого» действия, либо препараты, обеспечивающие более интенсивное воздействие на трущиеся соединения и агрегаты автомобиля.

Рассмотренные нанопрепараты позволяют: значительно повысить из-носостойкость деталей; сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения; эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения; понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации.

На рынке автохимии России сейчас одновременно присутствуют более двух десятков препаратов подобного типа. Несмотря на уверения любого производителя присадок, что его препарат уникален, единственен в своем роде, продукт военно-промышленного комплекса, или, как минимум — космических технологий, которым когда-то американцы намазали что-то в «Шаттле», все эти препараты по принципу действия можно разделить на несколько групп.

Первая, наиболее распространенная группа — это препараты, построенные на основе минеральных порошков серпентинита, или «геомодификаторы трения». К таким препаратам относятся известные препараты «Форсан», «Хадо», «РВС», «Супротек», «Автоминерал» и т. д. Эти препараты производят микрошлифовку поверхностей трения двигателя с образованием специального защитного металлокерамического слоя, отличающегося низкими коэффициентами трения и износа. В целом, это чисто русское изобретение, в других странах мира препаратов подобного класса не встретишь, разве что в немногочисленных представительствах некоторых российских фирм.

Вторая, также многочисленная группа присадок — это металлоплакирующие составы — «Ресурс», «РиМЕТ», «Автоплюс», «Металлайз» и подобные. Это составы, содержащие различные мягкие металлы либо в виде мелкодисперсных порошков, либо в ионном виде. При попадании в зону трения эти составы формируют на поверхности детали тонкий укрывающий (плакирующий) слой, «залечивающий» ее микродефекты и тем самым способствующий улучшению работы подшипников коленчатого вала и деталей цилиндропоршневой группы.

Третья группа препаратов — это препараты, осуществляющие некое химическое воздействие на поверхности трения и формирующие защитные слои с использованием механизмов хемосорбирования. Это пресловутые «кондиционеры металлов» — «ER», «Феном», «Реном», препараты группы эпиламов — «Универсальный модификатор», а также составы группы «Энергия-3000», формирующие защитные металлорганические слои. В целом, все эти препараты, за исключением эпиламных, работают по т.н. «принципу Гаркунова», согласно которому плакирующий защитный слой образуется за счет использования продуктов износа. В состав этих препаратов введены активные вещества — хлорпарафины и полиэфиры для кондиционеров металлов, специальные группы органических веществ для препаратов «Энергия-3000», которые в условиях высоких температур и давлений в зонах трения якобы переводят в ионное состояние металлические продукты износа и возвращают их в зоны трения. Эти препараты в основном пришли в Россию из-за рубежа, хотя основной принцип их работы носит имя российского ученого. Видимо, там внимательно изучают наши работы…

Есть еще всякого рода экзотика — различного рода «жидкие алмазы», «фуллерены», тефлоносодержащие присадки. Да и до чего только не додумаются специалисты в автохимии! То торсионные поля поднимают вал в подшипнике, то присадки генерируют какие-то науке неизвестные волны, то активизируют наследственную память металлов, заставляя их расти и компенсировать износы… Оставим все это на совести производителей этих препаратов.

В целом же, на долю описанных выше трех групп присадок приходится более 90% всего рынка автохимии в этом секторе препаратов.

2.5 Геомодификаторы поверхности трения Серпентины имеют слоистую структуру из триоктаэдрических двухэтажных слоев, символически обозначаемых 1: 1, представленных сочетанием одной тетраэдрической и одной октаэдрической сетки и связанных между собой через общие кислородные вершины тетраэдров и октаэдров. Каждый слой вершинами оснований октаэдров примыкает к вершинам тетраэдров соседнего слоя, соединяясь водородными связями.

Серпентиниты обычно наследуют некоторые признаки материнских пород. Это выражается, например, в сохранении реликтов первичных минералов. Априорная оценка влияния минерального состава серпентинитов на возможность их использования в триботехнике затрудняется отсутствием надежных сведений о механизмах процессов, происходящих при обработке металлов. Идеальная кристаллохимическая формула серпентина — Mg₃[Si₂O₅](OH)₄. Группа серпентина включает несколько десятков его разновидностей, главными среди которых традиционно считаются хризотил (волокнистый), антигорит и лизардит (пластинчатые). В природных серпентинитах обычно одновременно присутствуют разные модификации.

Полиморфные разновидности серпентина обладают устойчивыми отличиями в химическом составе В серпентинах Si может замещаться на А1, a Mg на — Al, Mn₂+, Fe₂+, Fe₃+, Ni. Ионы Mn₂+ присутствуют в минералах серпентина в высоких концентрациях и оказывают заметное влияние на их механические свойства (такие, как твердость, способность к истиранию и др.), величину относительной диэлектрической проницаемости, магнитной восприимчивости, теплопроводности. Эти характеристики важны, поскольку при повышении температуры в узлах трения происходит деформирование поверхностных слоев металла, и, как следствие, возникают электрические и магнитные поля. 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, чем у известных твердых смазок, способствует высокой термостойкости покрытия, но снижает теплоотвод из зоны трения.

Волокна хризотил-асбеста имеют сопротивление на разрыв почти такое же, как у некоторых сортов стали. Хризотиловый асбест весьма устойчив к нагреванию и только при температурах выше 400 °C минерал постепенно становится более хрупким. Волокнистая структура затрудняет адгезию серпентина к металлам. Присутствие хризотил-асбеста в составе серпентинитов ухудшает свойства трибосоставов. Пластинчатые серпентины, в особенно антигорит — наиболее стабильная и устойчивая к механическому воздействию и высоким температурам модификация, — более благоприятны для формирования покрытия.

Хлориты, тальк, гидроталькит и другие слоистые железомагнезиальные силикаты, обладающие сходными с пластинчатыми серпентинами химическим составом и структурой, также должны оказывать положительное влияние на свойства триботехнического состава. Все эти минералы имеют структуру, где атомы одной плоскости имеют сильные ковалентные связи, в то время как между параллельными слоями связи слабее, а значит, силы, необходимые для сдвига слоев частиц трибосостава, меньше силы связи с металлом. Высокая спайность обеспечивает плотное соприкосновение частиц с поверхностью металла за счет сил межкристаллического взаимодействия. Повышенная твердость слоистых силикатов вдоль чешуек способствует сопротивлению изнашиванию.

Крупные реликтовые зерна магнетита и хромшпинелидов, негативно влияют на износ деталей в силу своей высокой твердости и абразивного воздействия.

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. В различных публикациях указываются следующие формулы гидросиликата магния: Mg₆(OH)₈Si₄O₁₀ (патенты 2 135 638, 2 184 886); Mg₃Si₂O₅(OH)₄ (патент 2 127 299); 3MgO₂SiO₂H₂O (патент 2 168 663), гидраты со структурой серпентинита, например, MgO-SiO₂H₂О) (патент 2 168 663) и т. п. Различают пять минеральных разновидностей серпентинита, которые включают: антигорит, хризотил, клинохризотил, ортокризатил и лизардит. Так как помимо ионов основных металлов в структуру серпентинов входит вода, то за счет этого на поверхностях трения образуются прочные гидратированные слои, соединённые жидкой прослойкой. А это значительно снижает силу трения за счет реализации на локальных участках сопряжений гидродинамической смазки. Глинистые минералы, в составе которых содержится алюминий, оказывают негативное влияние на свойства трибосоставов. Алюмосиликаты не обладают повышенной адгезией к сталям, как магнезиальные силикаты, и это увеличивает вероятность отслаивания защитного покрытия.

Присутствие брусита и кварца в триботехнических составах влияет положительно на их свойства. Брусит Mg (OH)₂ обладает слоистой структурой, механически легко разрушается, является диэлектриком. Это сравнительно низкотемпературный минерал, который при разложении дает необходимые для процессов ионообмена магний и воду. Высокие пьезоэлектрические свойства кварца способствуют подавлению трибоэлектрического эффекта. Кварц обладает также хорошими изоляционными свойствами. Приведенные примеры отнюдь не исчерпывают весь спектр возможных факторов влияния собственных свойств серпентинитов на характеристики триботехнических составов.

Упомянутые геомодификаторы (ГМТ), в частности, слоистые гидросиликаты (серпентиниты), относят к ГМТ второго поколения. К первому поколению природных ГМТ относят графит и молибденит. Их слоистая структура снижает потери на трение в сопряжениях за счет сдвиговых деформаций. При разработке критериев оценки серпентинитов как сырья для триботехники требуется особый подход. Особые требования должны быть и к месторождениям этого вида сырья.

В последнее время большое внимание ученых и различного рода предпринимателей уделяется использованию нерудных полезных ископаемых, представляющих собой древнейшие кварц-образующие и кварц-содержащие породы. Их нужно обязательно перерабатывать по специальным технологиям.

В серпентинитах часто присутствуют реликты оливинов, пироксенов, амфиболов и рудных минералов: хромита, магнетита, сульфидов меди, никеля, кобальта и железа. В структуре серпентинитов присутствуют гетерогенные срастания минералов группы серпентинов с другими слоистыми силикатами — тальком, хлоритами, каолинитом, смектитами. Кроме серпентинитов в настоящее время в трибосопряжениях в качестве ГМТ используют довольно широкий круг других минералов. Большой разброс исходного сырья по составу предъявляет особые требования к его отбору и последующей переработки. Это необходимо для обеспечения стабильности составов ГМТ, используемых в трибосопряжениях. После переработки сырья продукты контролируют по 18…20 параметрам. При отсутствии необходимого контроля за составом и свойствами препаратов, содержащих ГМТ, влияние смазочных композиций (СК) с ГМТ на работоспособность трибосопряжений может изменяться в очень широких пределах и в ряде случаев приводить к негативным результатам. Опытные данные разных исследователей указывают на значительный разброс результатов при использовании СК с ГМТ. Так разброс по коэффициентам трения в сопоставимых условиях испытаний может изменяться в пределах от 3…4 раз при использовании ГМТ из различных месторождений и до 1,5…2 раз для одного месторождения.

2.5.1 Характеристика геомодификаторов. Способы повышения износостойкости трибообъектов

Чтобы решить вопросы повышения износостойкости трибообъектов необходимо стремиться к управлению трением — грамотно подбирать материалы по трению и износостойкости, рационально конструировать подвижные сопряжения и оптимизировать условия эксплуатации.

Большое количество вариантов протекания процессов в зоне трибоконтакта при высоких температурах, сложных физико-химических и тепловых реакций, а также из-за невозможности непосредственно наблюдать их протекание, затрудняет управление трением. Поэтому сейчас наиболее перспективными направлениями повышения износостойкости являются те направления, которые связаны с эффектами самоорганизующихся процессов.

Иными словами, легче обнаружить данный эффект, если он существует в природе, и исследовать условия закономерности его протекания, чем произвести теоретический расчет оптимальных параметров элементов трибообъекта.

Возьмём проблему повышения износостойкости трибообъектов с народнохозяйственной и экономической точки зрения: естественно, экономический эффект от вновь созданной техники с наиболее рациональными конструктивными трибоузлами будет проявляться постепенно, по мере замены устаревшего оборудования. Стало быть, наиболее перспективным направлением повышения износостойкости трибообъектов является разработка присадок к смазочным материалам уже существующих машин и механизмов, которые позволяют реализовать самоорганизующийся процесс.

Все антифрикционные и противоизносные присадки в смазочное масло делятся на:

· присадки, формирующие на поверхности трения в процессе работы объекта тонкого слоя мягких металлов, разделяющих эти поверхности;

· присадки, активизирующие силы сцепления смазочного масла с поверхностью трения.

Мягкие металлы (молибден, олово, медь, серебро и др.) могут вноситься в зону трения следующими образами:

1. в молекулярном тонкодисперсном виде,

2. на ионном уровне в результате химических реакций компонентов смазочного масла с источником мягкого металла.

Осуществление первого способа связано с двумя проблемами:

· создание устойчивой взвеси тонких частиц мягких металлов;

· соотношение между допустимой концентрацией таких металлов в циркулирующем масле и концентрацией, достаточной для обеспечения эффекта плакирования хотя бы на полный ресурс смазочного масла.

Таким образом, даже в случае успешного решения этих проблем эффективность таких присадок крайне ограничена по времени работы. Кроме того, разделительный тонкий слой мягких металлов не предохраняет поверхность трения от задиров в экстремальных случаях, то есть при прекращении циркуляции смазки.

Второй способ связан с реализацией избирательного переноса, управление которым носит пока сугубо случайный характер и проявляется крайне редко.

Присадки, активизирующие силы сцепления смазочного масла с поверхностью трения, могут быть весьма эффективными по противоизносным и, особенно, противозадирным характеристикам. Но у них есть существенные недостатки:

«-» воздействие таких присадок продолжается до тех пор пока они присутствуют в смазочном масле в достаточной концентрации;

«-» такие присадки, как правило, не только не являются антифрикционными, но даже способны увеличивать сопротивление трению, и, следовательно, ухудшать эффективные показатели смазочного масла.

Принципиально другими по характеру воздействия являются присадки, приготовленные на основе природных ассоциаций силикатных минералов забалансовых руд. Такие присадки (геомодификаторы трения), попадая в зону трения, вносят такие структурные изменения в поверхность трения, которые способны её модифицировать в заданном направлении.

Поверхности трения:

В большинстве случаев, структура поверхностей трения трущихся деталей машин зависит от условий трения, в частности от вида трения, давления, смазки, скорости трения, физико — механических свойств пар трения.

Эти поверхности находятся в объемном напряженном состоянии и в случае переменного воздействия внешних сил и недостаточной смазки при высоких скоростях трения поверхностные слои подвергаются воздействию значительных температур, вызывающих изменения структуры поверхностного слоя. Граничное трение.

Для анализа состояния поверхности трения образцов, испытанных на машинах трения, по стандартной методике и микрофотографирование шлифов был проведен металлографический анализ. Он показал следующие результаты:

1. Геомодификатор трения оказывает влияние на перлитную структуру, углеродистой конструкционной стали. Он видоизменяет вид и форму пластинчатого перлита: закручивая в «рулет» или вытягивая зерна.

2. Геомодификатор трения изменяет микротвердость тонкого поверхностного слоя, толщиной до 0,055 мм. При этом поверхность является более твердой, отличия с материалом сердцевины порядка 10 … 14% для стали, марки сталь 30.

Отмечено влияние геомодификатора трения на форму поверхности трения мягких углеродистых сталей. Основной геометрией является волна со средним шагом примерно 0,035 … 0,065 мм (измерения получены с помощью металлографического микроскопа).

2.6 Описание процесса формирования металлокерамических защитных слоёв (МКЗС) Минеральные модификаторы поверхности трения (ММПТ) — это мелкодисперсная, многокомпонентная смесь минералов, добавок и катализаторов.

При обработке механизмов, в зависимости от их конструкции и условий эксплуатации, ММПТ вводятся в штатную масляную систему, в консистентную смазку, либо наносятся непосредственно на обрабатываемые детали. ММПТ в нефтепродуктах не растворяются, в химические реакции с ними не вступают, вязкость не меняют, экологически безвредны.

Попадая на поверхности трения и контакта работающих механизмов, частицы ММПТ модифицируются сами и модифицируют поверхности пар трения. Для упрощения описания процесса образования МКЗС условно разделим его на этапы: