Твердые смазочные материалы

Дисульфид молибдена 

MoS2, как и  графит имеет, гексагональное  строение. Атомы молибдена связаны  друг с другом прочными химическими  связями вдоль сторон правильных  шестиугольников. Атомы серы тоже  химическими связями соединены  с атомами молибдена и образуют  разветвленную объемную структуру,  отделяя соседние слои атомов молибдена друг от друга. Между атомами серы соседних слоев реализуются слабые Ван-дер-ваальсовы взаимодействия, а следовательно, вдоль границы раздела прослоек атомов серы реализуется низкое сопротивление сдвигу. Влага в данном случае не играет роли, поэтому дисульфид молибдена используется для смазки узлов, работающих в экстремальных условиях: в высоком вакууме при температуре до 1000 ºС. Однако на воздухе начинается процесс окисления уже при температуре 350 оС.

 По данным [Г.П.П] коэффициент трения с увеличения удельной нагрузки уменьшается, достигая 0,02 при 2800 МПа. 

Обеспечение эффективного граничного и смешанного режима смазки механизмов (особенно при таких условиях эксплуатации как ударные нагрузки, прерывистые движения, прессовая  посадка) невозможно без применения твердых смазочных материалов. Последние  способны работать в значительно  более широком диапазоне температур, чем "жидкие" смазки.

К их достоинствам также относится работоспособность  при комнатных температурах (в  отличие от химически реакционных  технологий) и инертность по отношению  к пластикам (ПТФЭ, полиэтилен и полиамид), используемым в конструкциях современных  машин и деталей. Дисульфид молибдена  и сульфиды других металлов, фосфаты, оксиды, фториды металлов, а также  сами металлы, графит, нитрид бора и  их смеси широко применяются в  качестве компонентов твердых смазок. Твердые смазочные материалы  применимы в виде порошка, пасты, присадки/добавки к пластичным смазкам, масляной дисперсии, и в виде пигмента в составе антифрикционного покрытия. 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Твердые слоистые  смазки 

Характерная особенность  твердых и пластичных смазочных  материалов состоит в том, что  эти материалы находятся в  агрегатном состоянии, исключающем, при  соблюдении заданных условий эксплуатации, их вытекание из узла трения. Благодаря  этому возможно смазывание негерметизированных  узлов трения, отсутствует необходимость  в непрерывном подводе смазочного материала, а следовательно, и в наличии предназначенных для этого систем и агрегатов. Это обеспечивает получение следующих в сравнении с маслами преимуществ:

--уменьшение  расхода смазочных материалов;

--упрощение конструкции,  а следовательно, повышение надежности и снижение металлоемкости механизма;

--уменьшение  эксплуатационных расходов.

К основным (в  сравнении с маслами) недостаткам, характерным в различной степени  для большинства смазок, относят: отсутствие отвода теплоты от поверхностей трения, худшую физическую и химическую стабильность, а также большую  разницу в величинах коэффициентов  трения покоя и движения.

Твердые слоистые смазки (ТСС) -- кристаллические вещества, обладающие смазочными свойствами: графит, дисульфиды молибдена и вольфрама, нитрид бора, бромиды олова и кадмия, сульфат серебра, иодиды висмута, никеля и кадмия, фталоцианин, селениды и теллуриды вольфрама, титана и пр.

Все ТСС обладают слоистой структурой, характеризующейся  тем, что атомы, лежащие в одной  плоскости (одном слое), находятся  друг к другу ближе, чем в различных  слоях. Например, в решетке графита расстояние между атомами углерода в слое равно 1,42 х 10 м-10, между слоями -- 3,44 * 10-10 м. Это обусловливает различную прочность связей между атомами в различных направлениях, в результате чего под воздействием внешних сил происходит скольжение (сдвиг) одних слоев кристаллов относительно других (уменьшению сопротивления сдвига способствует накопление на поверхностях кристаллов адсорбированных продуктов). Это свойство является необходимым, но недостаточным. Нужна также хорошая адгезия ТСС к материалу поверхности трения, поэтому дисульфид титана и многие алюмосиликаты (слюда, тальк и др.), обладая ярко выраженной слоистой структурой, не отличаются смазочными свойствами, так как имеют плохие адгезионные свойства с металлами. На качество и свойства ТСС влияют неоднородности связей между атомами кристаллической решетки, величина работы, затрачиваемой на расщепление кристалла по поверхностям скольжения, степень адгезии к металлическим поверхностям и т.п.

1.1 Свойства ТСС

Рассмотрим свойства некоторых наиболее распространенных ТСС.

Графит обладает антифрикционными свойствами в паре трения со сталью, чугуном и хромом (несколько хуже эти свойства с  медью и алюминием).

Графиту присуща  способность адсорбироваться на поверхностях трения с образованием прочной пленки, ориентированной в направлении скольжения. Наличие на поверхности металла пленки оксидов облегчает адсорбцию графита, поэтому использование графита особенно эффективно для металлов, образующих прочную оксидную пленку (хром, титан, в меньшей степени сталь).

Температурный предел работоспособности графитной  смазки равен 600 С. Свойственная этому материалу вследствие наличия свободных электронов высокая электротеплопроводность способствует отводу электростатических зарядов и сохранению прочности смазочного слоя. Коэффициент трения графита по стали составляет 0,04 -- -- 0,08. С увеличением нагрузки и повышением температуры коэффициент трения возрастает.

Дисульфид молибдена MоS2 -- синевато-серый порошок с  металлическим блеском, обладает хорошими адсорбционными способностями по отношению  к большинству черных и цветных  металлов. Смазочная способность MоS2 обусловлена выраженным слоистым строением  кристаллов (расстояние между атомами  серы, находящимися в различных слоях  кристалла, почти в 4 раза больше, чем  внутри слоев) и сильной поляризацией атомов серы в процессе трения. В  отличие от графита при увеличении нагрузки и температуры коэффициент трения MоS2 уменьшается (средняя величина 0,05 -- 0,095).

Несущая способность  граничной смазочной пленки дисульфида молибдена выше, чем у любых  смазочных масел. При температурах выше 500 °С MоS2 окисляется с выделением SO2. Дисульфид молибдена обладает высокой радиационной стойкостью -- при дозе до 5 107 Гр не отмечено каких-либо изменений в его свойствах. К недостаткам M0S2 относится то, что он обладает высокой химической активностью и относительно легко вступает в реакцию с водой и кислородом. Вследствие этого при контакте M0S2 с воздухом максимально допустимую температуру ограничивают 450 °С. Водород восстанавливает M0S2 до металла.

Дисульфид вольфрама WS2 по сравнению с MоS2 обладает большей  термостойкостью (580 °С), стойкостью к  окислению и в 3 раза большей несущей  способностью. Химически инертен (кроме  фтора и его соединений), коррозионно  неагрессивен, нетоксичен, его применение ограничено высокой стоимостью. Использование WS2 в качестве добавки к маслам осложнено его высокой плотностью (р - 7,4 * 103 кг/м3 ), что затрудняет получение однородной смеси с маслом; рекомендуется использовать при температурах свыше 450 °С.

Нитрид кремния  имеет низкий коэффициент трения в парах со стальными деталями и некоторыми металлокерамическими материалами. Обладает хорошими механическими  характеристиками и высокой термической  и термоокислительной устойчивостью (до 1200 °С). Благодаря сочетанию этих качеств нитрид кремния рассматривают как перспективный материал при изготовлении деталей цилиндро-поршневой группы теплонапряженных двигателей.

Нитрид бора обладает высокой термической и  термоокислительной устойчивостью (разлагается при температуре свыше 1000 °С).

Имеются сведения о перспективности использования  в качестве твердых слоистых смазок других веществ -- селенидов и теллуридов вольфрама и ниобия и т.п.

К твердым слоистым смазкам относятся также фталоцианины.

Фталоцианины (меди C32H16N6C11, железа C32H16N8Fe и пр.) -- металлосодержащие полициклические органические соединения, обладающие крупными плоскими молекулами со слабыми межмолекулярными связями. Характерной особенностью этих веществ является то, что наряду с физической адсорбцией они образуют хемосорбированные пленки на поверхностях металлов. Фталоцианины обладают хорошей термической (650 °С) и радиационной стойкостью, стабильны при контакте с воздухом и водой. При тем­пературах до 300 °С коэффициент трения у них выше, чем у графита и дисульфита молибдена, но понижается до 0,03 -- 0,05 с увеличением температуры до 500 °С.

Из фталоцианинов делают защитный слой на юбках поршней перспективных двигателей. Такие поршни повышают механический КПД и обладают повышенной стойкостью к заклиниванию.

Износостойкость твердых смазок оценивается по их истираемости. Истираемость определяется временем работы узла трения в заданных условиях до истирания покрытия из твердой смазки.

Твердые смазки могут быть использованы не только для обеспечения работы узлов  сухого трения, но и как добавки, существенно повышающие эффективность  масел. Большинство твердых смазок нерастворимы в углеводородах, поэтому  их вводят в моторное масло в виде коллоидных дисперсий. При этом увеличивается  ресурс узлов трения и снижается  вероятность задира в условиях масляного  голодания.

Совершенствование существующих и создание новых видов  твердых смазок -- важный этап разработки адиабатного (керамического) двигателя.

Повышение теплонапряженности (уровня форсирования) современных ДВС увеличивает качественный и количественный объемы требований, предъявляемых к граничной пленке. Удовлетворение этих требований только путем изменения свойств моторного масла не всегда целесообразно (или возможно) как по техническим, так и по экономическим условиям, поэтому в ряде случаев в дополнение смазки моторными маслами (или без них) при изготовлении двигателя применяют покрытие поверхностей трения твердыми смазочными материалами

Хорошие смазочные  свойства имеют покрытия на основе двусернистого молибдена. Такие покрытия обладают высокой термической и химической стабильностью, сочетаются со всеми видами смазок и топлив, не токсичны и выдерживают нагрузки до 30 МПа. В современном двигателестроении практикуют нанесение покрытий из M0S2 на нагруженные узлы трения механизма газораспределения, вкладыши коленчатого вала, втулки клапанов, юбки поршней и пр. При этом достигается увеличение ресурса свыше 30 %. Для поддержания сохранности покрытия рекомендуется в процеп С эксплуатации вводить в масло присадки на основе M0S2.

Примером покрытия такого рода может быть паста, состоящая  из дисперсии MоS2 в органической смоле  с растворителем. При нанесении  пасты на металлические поверхности  она образует прочно скрепленную  с основой сухую пленку, обладающую длительным сроком службы в диапазоне  температур 20 -- 380 °С при высоких механических нагрузках.

Толщина пленки должна быть равна 5 -- 15 мкм, более толстый  слой подвержен растрескиванию и  скалыванию.

Мягкие металлы (свинец, индий, олово, кадмий, медь, серебро, золото и др.) обладают низкой прочностью на срез и благодаря этому могут  применяться в качестве смазок, наносимых  в виде тонких слоев (пленок) на более  прочные основы. Поведение пленок этих металлов во многом сходно с маслами. Кроме того, они обладают свойством  облегчать и ускорять процесс  приработки 

Важным требованием, обусловливающим возможность применения для смазок мягких металлов, является высокая адгезия к материалу  основы и низкая к материалу контртела. Например, пленка серебра толщиной 100...200 мкм, наносимая на основу гальваническими методами, обладает высокими антифрикционными свойствами и обеспечивает интенсивный отвод теплоты от поверхности трения.

Смазывающими  свойствами обладают некоторые полимерные материалы -- фторопласт-4 (тефлон), капрон, нейлон, полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамид и др. Их наносят на поверхности трения в виде пленок различной толщины или используют как прессованные проставки (вкладыши). Применение твердых смазок на основе полимерных материалов ограничивается низкой термической стойкостью этих материалов, а также свойственными им малым коэффициентам теплопроводности и большим коэффициентом теплового расширения (на порядок больше, чем у стали).

Полимерные твердые  смазочные материалы обладают недостаточными механическими свойствами, поэтому  для обеспечения прочности при  средних и высоких нагрузках  их армируют. Армирование может производиться  либо путем введения в структуру  полимера арматурных решеток, либо пропиткой  полимером пористого материала. Используемый для армирования материал должен быть мягче, чем материал поверхности  трения. В частности, имеются данные об успешном применении в тяжело нагруженных  подшипниках скольжения армированного  политетрафторэтилена.

Перспективной областью использования твердых  смазок являются композиционные смазочные  материалы (КСМ), представляющие собой  комбинацию отдельных видов твердых  смазок, обеспечивающую оптимальное  сочетание их смазочных свойств, механической прочности и обрабатываемости. Основным преимуществом КСМ является обеспечение хороших антифрикционных  и противоизносных свойств в  течение длительного времени (в  пределе -- соответствующего полному ресурсу механизма).