Сравнительное исследование противоизносных свойств смазочных композиционных материалов, содержащих сплошные наночастицы дисульфида вольфрама и фуллереноподобные частицы дисульфида молибдена при трении стали шх15 по поверхности стали 45

Смазочная эффективность масла [1] зависит от сочетания многочисленных тесно переплетающихся факторов, определяющих в совокупности характер влияния масла на износ и трение смазываемых поверхностей. Одни из этих факторов зависят от свойств масла, в том числе от их изменений в процессе эксплуатации, другие — от состояния и свойств трущихся поверхностей, в том числе от их изменений в процессе эксплуатации, третьи — от характера взаимодействий между компонентами масла, трущимися поверхностями и покрывающими их окисными плёнками, четвёртые — от скорости, нагрузки, температуры и других параметров режима трения. Твёрдые смазочные материалы, в отличие от масел, являются в известной степени более стабильными по отношению к действию перечисленных выше факторов.

Известно [2, 3], что твёрдые смазочные материалы используются для решения проблем смазывания в экстремальных условиях. В авиационной и ракетной технике смазочные материалы должны работать в широком диапазоне температур (от -240 до 900 ⁰С). В узлах трения ядерных реакторов смазочные материалы должны иметь высокую радиационную стойкость, а в улах трения космических объектов они должны иметь минимальную летучесть в вакууме. Твердые смазочные материалы применяют для смазывания узлов трения качения и скольжения (также верчения, сложного варианта скольжения) при жестких условиях функционирования трибосистем. Также они применяются для смазывания электропроводящих контактов и высокоточных механических приборов, которые требуют очень низких коэффициентов трения при пуске и для которых недопустимо использование смазочных масел и пластичных смазок.

В связи с перечисленными данными, твердые смазочные материалы целесообразно использовать в качестве добавок в смазочные масла для увеличения эффективности последних в условиях действия такого широкого количества факторов.

Использование твердых высокодисперсных смазочных материалов в виде добавок в смазочные масла в узлах трения где реализуется жидкая смазка дало ряд положительных результатов, полученных авторами данной работы [4−16].

В настоящее время получили развитие нанотехнологии, посредством которых появилась возможность получения наноразмерных порошков твёрдых смазочных материалов, а также фуллереноподобных нанои микрочастиц твердых смазочных материалов. Вместе с тем ещё недостаточно изучено влияние жидких смазочных композиций с данными добавками на изнашивание различных стальных поверхностей трения. Необходимо сравнение действия фуллереноподобных и сплошных частиц твердых смазочных материалов при трении в жидких смазочных средах.

В границах данной работы приведены результаты сравнительного исследования изнашивания в режиме трения верчения стали марки ШХ15 по плоской поверхности из материала СТАЛЬ45, при использовании смазочных композиций на основе масла МС20, содержащего сплошные наночастицы дисульфида вольфрама и фуллереноподобные частицы дисульфида молиблена.

Для исследования были взяты две смазочные композиции на основе масла МС20:1) с добавлением одного процента наночастиц дисульфида вольфрама 40 нм (рис. 1, б); 2) с добавлением одного процента фуллереноподобных высокодисперсных частиц дисульфида молибдена (полидисперсная смазочная композиция, частицы разных размеров от 2 мкм до наночастиц) (рис. 1, а).

Рис. 1. Высокодисперсные наполнители для создания смазочных композиций: а — фуллереноподобные частицы MoS2; б — сплошные наночастицы WS2

В качестве вращающегося образца использовался шарик из подшипниковой стали марки ШХ-15, диаметром 12,7 мм. В качестве неподвижного контртела использовалась прямоугольная пластина из СТАЛЬ 45. К данной пластине с помощью зажимов прижималась цилиндрическая втулка, в которую заливались смазочные композиции. Исследования проводились на машине торцового трения по схеме, приведённой на рис. 2.

В начале исследовали чистое смазочное масло МС-20 без добавок. Графики зависимости диаметра лунки износа на пластине из СТАЛЬ 45 и скорости изнашивания от времени приведены на рис. 3.

Испытания проводились в продолжении 10 мин (время определено при отработке методики: контактное давление стремится к минимальному, приращение износа при выбранных условиях становится пренебрежимо мало (), что характерно для данной схемы трения).

Рис. 2. Схема торцового трения верчения по схеме «плоскость-плоскость»

Из рисунка 3 видно, что зависимость диаметра лунки износа от времени имеет вид степенной функции. Начальная скорость изнашивания при использовании масла МС-20 составила 0,255мм/мин. Далее скорость изнашивания линейно убывает в связи с уменьшением контактного давления при увеличении номинальной площади контакта и постоянстве нагрузки. Максимальное значение диаметра лунки износа в данном опыте в среднем составило? 1,15 мм.

Далее исследовали смазочное масло МС-20 с добавлением 1% WS₂. Графики зависимости диаметра лунки износа на пластине из СТАЛЬ 45 и скорости изнашивания от времени приведены на рис. 4.

В данном случае зависимость диаметра лунки износа от времени также имеет вид степенной функции, что определено схемой испытаний (конструкционный фактор: конструкция узла (пары) трения).

Начальная скорость изнашивания при использовании масла МС-20+1%WS₂ составила 0,195мм/мин.

Далее скорость изнашивания также линейно убывает в связи с уменьшением контактного давления при увеличении номинальной площади контакта и постоянстве нагрузки. Максимальное значение диаметра лунки износа в данном опыте в среднем составило? 1 мм. Уменьшение начальной скорости изнашивания обусловлено, с одной стороны, дискретным экранированием поверхности трения наночастицами дисульфида вольфрама, с другой стороны, приращением вязкости смазочного материала при добавлении наночастиц, а также в связи с уменьшением трения, обусловленным слоистой структурой сплошных наночастиц.

Рис. 3. Графики зависимости диаметра лунки износа от времени на пластине из СТАЛЬ 45и скорости изнашивания при исследовании масла МС-20

Рис. 4. Графики зависимости диаметра лунки износа от времени на пластине из СТАЛЬ 45 и скорости изнашивания при исследовании смазочной композиции МС-20+1%WS2

Далее исследовали смазочное масло МС-20 с добавлением 1% MoS₂. Графики зависимости диаметра лунки износа на пластине из СТАЛЬ 45 и скорости изнашивания от времени приведены на рис. 5.

Начальная скорость изнашивания при использовании масла МС-20+1% MoS₂ составила 0,155 мм/мин. Далее скорость изнашивания также линейно убывает в связи с уменьшением контактного давления при увеличении номинальной площади контакта и постоянстве нагрузки. Максимальное значение диаметра лунки износа в данном опыте в среднем составило? 0,8 мм. Уменьшение начальной скорости изнашивания так же, как и в предыдущем случае обусловлено, с одной стороны, дискретным экранированием поверхности трения полидисперсными фуллереноподобными частицами дисульфида молибдена, с другой стороны, также приращением вязкости смазочного материала при добавлении данных частиц. Другие особенности воздействия фуллереноподобных частиц твердых смазочных материалов на поверхности трения при фрикционном взаимодействии требуют дополнительного изучения и объяснения.

Представлены результаты сравнительного исследования изнашивания в режиме трения верчения стали марки ШХ15 по плоской поверхности из материала сталь, при использовании смазочных композиций на основе масла МС20, содержащего сплошные наночастицы дисульфида вольфрама и фуллереноподобные частицы дисульфида молиблена.

4. Максимальное снижение диаметра пятна износа при использовании полидисперсных фуллереноподобных частиц дисульфида молибдена относительно базового масла произошло в конце опыта. Добавление частиц способствовало снижению диаметра пятна износа на 30% относительно масла МС-20.

Результаты исследований могут быть использованы при разработке малоотходных ресурсосберегающих технологий с применением смазочных композиционных наноматериалов и покрытий [17−39].

Рис. 5. Графики зависимости диаметра лунки износа от времени на пластине из СТАЛЬ 45 и скорости изнашивания при исследовании смазочной композиции МС-20+1%MoS2

сталь наночастица дихалькогенид вольфрам Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» научному проекту: «Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа „износостойкая матрица — наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)“, обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы», № 15−13−45.

• 1. Розенберг Ю. А. Влияние смазочных масел на долговечность и надёжность деталей машин. — М.: Машиностроение, 1970. — 315 с.
• 2. Брейтуэйт Е. Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные покры-тия: [пер. с англ.]. — М.: Химия, 1967. 320 с.
• 3. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Примене-ние. Международные стандарты / пер. с англ. под ред. Ю. С. Заславского. — М.: Химия, 1988. — 488 с.
• 4. Основы технологической подготовки: учеб. пособие / А. Н. Сергеев, А. Е Гвоздев, А. Г. Колмаков, А. Д. Бреки [и др.]; под ред. проф. А. Е. Гвоздева. — Изд. 2-е, испр. и доп. — Тула: Издательство ТулГУ, 2015. — 187с.
• 5. Малыгин Ф. К. Материаловедение: учебник для вузов / Н. Е. Стариков, А. Е. Гвоздев, В. И. Золотухин, Н. Н. Сергеев, А. Д. Бреки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. — 268 с.
• 6. Бреки А. Д. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиимидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные наночастицы дихалькогенидов вольфрама: монография. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. — 276 с.
• 7. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов в металлических, композиционных и нанокристаллических материалах: монография / Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, В. И. Золотухин, А. Д. Бреки [и др.]; под ред. д-ра техн. наук, проф. А. Е. Гвоздева. — Тула: Издательство ТулГУ, 2014. — 128 с.
• 8. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография / Е. С. Васильева, О. В. Толочко, Н. Н. Сергеев [и др.]. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. — 144 с.
• 9. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / Е. С. Васильева, О. В. Толочко, Н. Н. Сергеев [и др.]; под ред. А. Д. Бреки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. — 152с.
• 10. Бреки А. Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел: дис. канд. техн. наук / Институт проблем машиноведения Российской академии наук. — СПб., 2011. — 161 с.
• 11. Триботехнические свойства композиционных покрытий с полиимидными матрицами и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография / В. В. Кудрявцев, А. Л. Диденко, Е. С. Васильева [и др.]; под ред. А. Д. Бреки. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. — 128с.
• 12. Синтез и триботехнические свойства композиционных покрытий с матрицей из полиимида ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама при сухом трении скольжения / А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, Е. С. Васильева [и др.] // Материаловедение. — 2015. — № 12. — С. 36−40.
• 13. Определение основных трибологических характеристик жидких смазочных композиций, содержащих мелкодисперсные частицы дихалькогенидов вольфрама / О. В. Толочко, А. Д. Бреки, Е. С. Васильева, М. Ю. Максимов // Вопросы материаловедения. — 2011. — № 1(65). — С.143 — 149.
• 14. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / А. Д. Бреки, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 5−2. — С. 136−144.
• 15. Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами диселенида вольфрама на трение в подшипниках качения / В. В. Медведева, Ю. А. Фадин, О. В. Толочко [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 11−1. — С. 171−180.
• 16. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама / О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 7−1. — С. 197−205.
• 17. Выбор дисперсности наполнителя из частиц дихалькогенидов вольфрама для создания смазочного композиционного материала / А. Д. Бреки, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 7−1. — С. 235−243.
• 18. Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами дисульфида вольфрама на трение в подшипниках качения / А. Д. Бреки, В. В. Медведева, Ю. А. Фадин, О. В. Толочко [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 11−1. — С. 78−86.
• 19. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала / А. Д. Бреки, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, Д. А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — № 7−2. — С. 8−14.
• 20. Гвоздев А. Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. — М.: Машиностроение, 1992. — 176 с.
• 21. Гвоздев А. Е., Афанаскин А. В., Гвоздев Е. А. Закономерности проявления сверхпластичности сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП // Металловедение и термическая обработка металлов. — 2002. — № 6. — С. 32−36.
• 22. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии / А. Е. Гвоздев, А. Г. Колмаков, О. В. Кузовлева, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов. — 2013. — № 11. — С. 39−43.
• 23. Оценка влияния жидкого смазочного композиционного материала с наночастицами геомодификатора на трение в подшипниковом узле / А. Д. Бреки, О. В. Толочко, Н. Е. Стариков, Д. А. Провоторов, Н. Н. Сергеев, Е. В. Агеев, А. Е. Гвоздев // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. — 2015. — № 3 (16). — С. 17−23.
• 24. Гвоздев А. Е., Стариков Н. Е., Провоторов Д. А. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала / А. Д. Бреки, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, Д. А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — Вып.7. Ч2. — С. 8−14.
• 25. Оценка влияния размера частиц и концентрации порошков горных пород на противоизносные свойства жидких смазочных композиций / В. В. Медведева, М. А. Скотникова, А. Д. Бреки, Н. А. Крылов, Ю. А. Фадин, А. Н. Сергеев, Д. А. Провоторов, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — Вып.11. Ч1. — С. 57−65.
• 26. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОООД» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, Д. А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — Вып.8. Ч2. — С. 181−188.
• 27. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, А. А. Калинин, Д. А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — Вып.8. Ч2. — С. 148−155.
• 28. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «Р-ОДФО» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, О. В. Толочко, Е. С. Васильева, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, Д. А. Провоторов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. — 2015. — Вып.11. Ч1. — С. 133−139.
• 29. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов/ А. Е. Гвоздев, Г. М. Журавлев, Н. Н. Сергеев, В. И. Золотухин, Д. А. Провоторов // Производство проката. — 2015. -Т.№ 10. — С. 18−26.
• 30. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки стальных листов / А. Е. Гвоздев, И. В. Голышев, И. В. Минаев, А. Н. Сергеев, Н. Н. Сергеев, И. В. Тихонова, Д. М. Хонелидзе, А. Г. Колмаков // Материаловедение. — 2015. — 32. — С. 31−36.
• 31. Макаров Э. С., Гвоздев А. Е., Журавлев Г. М. Теория пластичности дилатирующих сред: монография / под ред. проф. А. Е. Гвоздева. — 2-е изд., перераб. и доп. — Тула: Изд-во ТулГу, 2015. — 337 с.
• 32. Технология конструкционных и эксплуатационных материалов: учебник / А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков, В. И. Золотухин, Н. Н. Сергеев, А. Н. Сергеев, А. Д. Бреки; под редакцией А. Е. Гвоздева. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. — 351 с.
• 33. Журавлев Г. М., Гвоздев А. Е. Обработка сталей и сплавов в интервале температур фазовых превращений. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 320 с.
• 34. Пат. на изобретение 2 014 135 667/02 (2 590 045). Российская Федерация. Способ получения металлического нанопорошка из отходов быстрорежущей стали в керосине/ Е. В. Агеев, Е. А. Воробьев, А. Е. Гвоздев, Е. В. Агеева. Заявитель и патентообладатель: Юго-Западный государственный университет. № 2 014 135 667/02; опубл. 10.07.2016. Бюл. № 19.
• 35. Оценка триботехнических свойств композиционного покрытия на основе полиимида (Р — ООО) ФТ с наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама в условиях отсутствия деструкции полимера / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, Е. С. Васильева, О. В. Толочко, Н. Н. Сергеев, А. А. Калинин, К. Н. Старикова, И. Д. Зайцев, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сборник материалов VI Междунар. конф. (10−13 ноября 2015 г. Москва). — М.: ИМЕТ РАН, 2015. — С. 743−744.
• 36. Триботехнические свойства композиционных покрытий, полученных по одностадийной и двухстадийной схеме, на основе полиимида, А — ООО с наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама в условиях отсутствия деструкции полимера / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, Е. С. Васильева, О. В. Толочко, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сборник материалов VI Междунар. конф. (10−13 ноября 2015 г. Москва). — М.: ИМЕТ РАН, 2015. — С. 745−746.
• 37. Оценка триботехнических характеристик композиционных покрытий на основе полиимида ПМ-ДАДФЭ с наполнителем из наночастиц дисульфида вольфрама в условиях остутствия деструкции полимера / А. Д. Бреки, Ю. А. Фадин, А. Л. Диденко, В. В. Кудрявцев, Е. С. Васильева, О. В. Толочко, А. Е. Гвоздев, Н. Е. Стариков // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сборник материалов VI Междунар. конф. (10−13 ноября 2015 г. Москва). — М.: ИМЕТ РАН, 2015. — С. 747−748.
• 38. Испытания образцов на ударный изгиб для оценки устойчивости металлических сплавов к биокоррозии / Н. Е. Стариков, А. Е. Гвоздев, А. Д. Бреки, Д. О. Селифонтов, А. А. Калинин, О. В. Пантюхин, И. Д. Зайцев // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов: сборник материалов VI Междунар. конф. (10−13 ноября 2015 г. Москва). — М.: ИМЕТ РАН, 2015. — С. 769−770.
• 39. Grain size effect of austenite on the kinetics of pearlite transformation in low and medium carbon low alloy steels / A.E. Gvozdev, I.V. Minaev, N.N. Sergeev, A.G. Kolmakov, D.A. Provotorov, I.V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research. -2015. -Vol. 6, No. 1. -P. 41−44.
• 40. Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets / A.E. Gvozdev, I.V. Golyshev, I.V. Minayev, A.N. Sergeyev, N.N. Sergeyev, I.V. Tikhonova, D.M. Khonelidze, A.G. Kolmakov // Inorganic Materials: Applied Research. — 2015. -Vol. 6, No. 1. -P. 305−310.
• 41. Synthesis and tribotechnical properties of composite coatings with PM-DADPE polyimide matrix and fillers of tungsten dichalcogenide nanoparticles upon dry sliding friction / A. D. Breki, A. L. Didenko, V. V. Kudryavtsev, E. S. Vasilyeva, O. V. Tolochko, A. G. Kolmakov, Yu. A. Fadin, N. N. Sergeyev, A. E. Gvozdev, N. E. Starikov, D. A. Provotorov // Inorganic Materials: Applied Research. — 2016. -Vol. 7, Issue 4. — P. 542−546.
• 42. Исследование противоизносных свойств пластичного смазочного композиционного материала, содержащего дисперсные частицы слоистого модификатора трения / В. В. Медведева, А. Д. Бреки [и др.] // Известия Юго-Западного государственного университета. — 2016. — № 1 (64). — С. 75−82.