Твердые смазочные материалы

Физически КСМ  представляет собой механическую смесь  двух или более различных по свойствам  твердых веществ, при этом одно из них, являющееся основой, может образовывать структурный каркас -- матрицу, обусловливающую заданные механические свойства. Матрица может изготавливаться из полимерных, металлических или керамических материалов. В структурном каркасе матрицы зафиксированы материалы, являющиеся наполнителем КСМ. Наполнитель обеспечивает смазочные свойства КСМ. К достоинствам КСМ с полимерной матрицей (полимерных КСМ) относятся хорошие смазочные свойства, химическая инертность, более высокая, чем у металлов, усталостная прочность, малая масса, низкая чувствительность к локальным нарушениям структуры (трещинам, надрезам). Наиболее термостойкие КСМ на основе ароматических полиамидов могут длительно эксплуатироваться при температуре до 450 °С

Основные недостатки -- большой коэффициент термического расширения, низкие теплопроводность, термическая стойкость и стабильность.

В полимерных КСМ  наиболее часто используют полиамиды  с наполнителями -- дисульфидом молибдена, графитом, нитридом бора. Хорошие результаты дает использование в качестве наполнителей порошков мягких металлов, алюминия, меди, никеля, молибдена и др. 

КСМ на основе металлических  материалов получают путем прессования  и спекания из порошков металлов (железа, меди и пр.) с последующей пропиткой  полученной пористой основы твердыми слоистыми смазками, мягкими металлами  или полимерами. Для получения  КСМ, работающих в особо тяжелых  температурных условиях, в качестве основы используют никель, кобальт  и их сплавы, в качестве наполнителя -- материалы на основе молибдена или вольфрама. 

Хорошие характеристики имеют КСМ на основе пористых материалов, изготовленных спеканием пакета спрессованных металлических сеток. Для увеличения антифрикционных  свойств сетки можно изготовлять  из мягких металлов. Механические свойства таких композиций широко регулируют выбором материала сетки и  давления прессования. Получили распространение (например, для направляющих втулок клапанов ДВС) КСМ на металлической  основе, поры которых заполнены фторопластом-4 с добавками сульфидов, селенидов  и теллуридов молибдена, вольфрама, ниобия и других металлов. В таких композициях твердая смазка кроме смазочного действия обеспечивает высокую несущую способность и износостойкость.

Рациональный  подбор веществ, входящих в КСМ, обеспечивает их достаточно высокую несущую способность  при хороших антифрикционных  характеристиках и минимальном  износе узла трения (рис. 8.2 -- 8.4). Рабочая  температура таких смазок ограничивается температурой течения материала  металлической основы.

Для получения  керамических матриц КСМ используют окислы бериллия, циркония и других металлов. КСМ на керамической основе обладают высокой термической и  химической стойкостью. Основные недостатки этих материалов -- хрупкость и низкая прочность при растяжении.

На основе КСМ  разрабатывают узлы трения (вплоть до коренных вкладышей и поршневых  колец), не требующие замены в течение  всего моторесурса двигателя. При  условии достаточно эффективного отвода теплоты узлы трения на основе КСМ  могут длительно работать без  дополнительного подвода смазки. Большинство КСМ хорошо работает совместно с жидкими и консистентными смазками, что открывает возможность  их использования для подшипников  скольжения в конструкциях ДВС. Это  обеспечивает существенное повышение  надежности двигателя, особенно в режиме масляного голодания. Для вкладышей  коренных и шатунных подшипников  можно использовать, например, композиции из медно-молибденового (CuO + MоS2) материала. Для подшипников распределительного вала применяют вкладыши, изготовленные из металлокерамических (или пористых) композиций на основе мягких металлов, насыщенных фталоцианиновой твердой смазкой. Изготовляют материал, состоящий из стальной ленты, на которую спеканием нанесен тонкий слой сферических частиц пористой оловянистой бронзы, пропитанных смесью фторопласта со свинцом. Здесь стальная основа обеспечивает необходимую прочность подшипника, бронза -- теплопроводность, смесь тефлона со свинцом -- смазочные свойства.

2. Общие сведения  о пластичных смазках

Пластичные смазки (ПС) представляют собой жидкие масла, специальным образом загущенные для того, чтобы придать им ряд  эксплуатационных свойств, не обеспечиваемых ни жидкими, ни твердыми смазочными материалами. По физической структуре ПС представляют собой дисперсные (коллоидные) микронеоднородные  системы, состоящие из дисперсионной  среды и дисперсной фазы. Дисперсионной  средой служат жидкие вещества, обладающие хорошими смазочными и антикоррозионными  свойствами; дисперсной фазой -- твердые вещества, основным назначением которых является поддержание стабильности системы и ограничение подвижности дисперсионной среды -- ее загущение. Вещество, образующее дисперсную фазу, называют загустителем. Действие загустителя основано на том, что он создает в объеме смазки структурный каркас, во внутренних ячейках которого жидкость удерживается силами взаимодействия между молекулами дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Структурный каркас (структура) ПС оказывает определяющее влияние на ее основные свойства. Структура  зависит от природы загустителя. Частицы загустителя обычно имеют  ните- или лентовидную форму с большим отношением длины (доходящей до десятых долей миллиметра) к диаметру, измеряемому десятыми долями микрометра. Такая геометрия частиц загустителя обеспечивает большие поверхности его контакта с маслом (до тысяч квадратных метров в грамме вещества) и, как следствие этого, большую величину адсорбционных сил, связывающих загуститель с маслом. Эти силы обеспечивают устойчивость, неразделенность смазки, которую принято определять как ее коллоидную стабильность.

В зависимости  от назначения различают антифрикционные (предназначенные для снижения трения и износа в механизмах), консервационные (предохранительные, защитные), предназначенные  для защиты металлов от коррозионного  воздействия, и уплотнительные ПС, предназначенные  для герметизации зазоров в механизмах. Большинство современных ПС, удовлетворяя требованиям по своему прямому назначению, одновременно обладают определенными свойствами, допускающими их использование и по другим назначениям, например антифрикционные ПС в некоторых случаях можно использовать как консервационные или уплотнительные. Существуют также ПС, обладающие специальными свойствами. Например, электропроводящие ПС, предназначенные для обеспечения эффективного электрического контакта между поверхностями, фрикционные ─ для предотвращения проскальзывания поверхностей путем увеличения трения между ними, приработочные  ─ для улучшения приработки поверхностей и т.д.

В зависимости  от характера и прочности образуемого  загустителем каркаса различают  консистентные, полужидкие (сметанообразные) и жидкие ПС.

В консистентных  смазках сросшиеся элементы загустителя  образуют непрерывный структурный  каркас, в ячейках которого находится  жидкое масло. Структурный каркас обладает определенными механическими свойствами ─ он может упруго деформироваться под действием относительно небольших нагрузок, что придает смазкам пластичность.

Полужидкие смазки отличаются от консистентных тем, что  в них связи между элементами каркаса (а следовательно, и его прочность) сравнительно малы ─ они легко нарушаются под действием небольших сил и затем восстанавливаются вновь.

В жидких смазках  частицы загустителя практически  не связаны друг с другом. Они  взвешены в масле и, тормозя движение жидкой фазы, придают ему густую консистенцию.

Наибольшее распространение  в технике (свыше 90% по объему производства) получили консистентные смазки, поэтому  дальнейшее изложение будет в  основном посвящено этому типу смазок. Полужидкие и жидкие смазки можно  рассматривать как консистентные  с уменьшенной прочностью структурного каркаса. 

Дисперсионная среда и дисперсная фаза. Свойства дисперсной фазы ─ загустителя определяют основные физические свойства пластичной смазки ─ коллоидную стабильность, температурную стойкость, влагостойкость, стойкость к воздействию механических нагрузок и ряд других. ПС классифицируют в зависимости от вида загустителя, в качестве которого наиболее распространены соли высокомолекулярных жидких кислот (литиевые, алюминиевые, натриевые, кальциевые и др.), которые принято называть мыльными загустителями, а также твердые углеводороды (парафин и церезин). 

В последнее  время расширяется использование  ПС, в которых роль загустителя  выполняют пигменты, кристаллические  полимеры, а также неорганические гидрофобизированные вещества -- силикагель, бентонитовые глины, технический углерод (сажа) и некоторые другие порошкообразные материалы (сущность гидрофобизации заключена в придании этим материалам повышенных адгезионных свойств по отношению к маслу, что обеспечивается путем их обработки поверхностно ─ активными веществами). 

Дисперсионная среда (масло) определяет антифрикционные, противоизносные, противозадирные и ряд других свойств ПС. Загуститель может дополнять и усиливать функции масла. Жидкости, применяемые в качестве дисперсионной среды для ПС, должны обладать пологой вязкостно-температурной характеристикой, низкой испаряемостью, хорошей термической и химической стабильностью. В настоящее время для этой цели широко используют нефтяные масла. Повышающийся уровень требований к эксплуатационным свойствам ПС обусловливает целесообразность использования синтетических жидкостей ─ полисилоксанов, диэфиров, полигликолей, фторуглеродов и др. Например, созданы и успешно применяются в некоторых областях техники ПС на основе силоксановых жидкостей, работоспособные в диапазоне температур от ─80 до +300 °С. В ПС вводят различные присадки и наполнители, предназначенные для регулирования их структур и улучшения эксплуатационных показателей (повышения стабильности, смазочных и защитных свойств и пр.). 

В качестве присадок к ПС обычно используют те же присадки, что и в маслах. Особое значение для улучшения свойств ПС при  высоких нагрузках, температурах и  скоростях относительного движения поверхностей трения имеют наполнители, в качестве которых наиболее эффективны твердые слоистые смазки ─ дисульфид молибдена и графит. Используют также некоторые сульфиды и иодиды, оксиды металлов. При введении и ПС высокодисперсных порошков мягких металлов происходит плакирование стальных поверхностей, обеспечивающее снижение коэффициента трения и повышение допускаемой нагрузки.

В некоторых  видах ПС содержание наполнителей превышает 20 %. При рациональном подборе сочетания  присадки и наполнителя можно  значительно улучшить смазочные  свойства ПС. Это объясняется их совместным действием: химическим модифицированием поверхности трения присадкой и  упрочнением граничного слоя частицами  наполнителя. Наряду с этим при адсорбции  присадки на частицах наполнителя уменьшается  сопротивление сдвигу (уменьшаются  потери на трение). 

Требования к  пластичным смазкам. ПС должны удовлетворять  ряду эксплуатационных требований, основными  из которых являются: сохранение однородности и стабильности, обеспечение заданных механических свойств, минимальное  воздействие на конструкционные  материалы, соприкасающиеся со смазкой, обеспечение заданных смазочных  противоизносных и противозадирных  свойств. По сравнению с моторными  маслами новыми требованиями к ПС являются сохранение однородности и  обеспечение заданных механических свойств. 

К ПС большинство  типов предъявляют повышенные требования по антикоррозионным свойствам. Эти  свойства зависят от влагостойкости и влагонепроницаемости смазки, наличия в ней нейтрализующих веществ и ингибиторов коррозии. ПС при правильном их подборе и применении обеспечивают эффективную антикоррозионную защиту большинства конструкционных материалов. 

2.1 Свойства пластичных  смазок 

К основным эксплуатационным свойствам ПС относятся: стабильность, механические свойства, вязкостно-скоростные и вязкостно-температурные свойства (характеристики), смазочные, защитные и герметизирующие свойства. Уровень  требований к этим свойствам определяется назначением и конкретными условиями  применения ПС.

Стабильность  ПС определяет способность смазок сохранять  заданные физико-химические свойства в течение определенного промежутка времени при воздействии внешних  факторов ─ длительного хранения, изменений температуры, механических воздействий радиационного облучения и пр. Различают физическую, химическую и радиационную стабильность ПС.

Физическая стабильность определяется способностью ПС сохранять  заданную консистенцию. При нарушении  консистенции понижается пластичность, ухудшаются антифрикционные и консервационные  свойства ПС. Нарушение консистенции обусловлено уменьшением содержания в ПС жидкой фазы ─ масла. Это происходит из-за испарения наиболее низкокипящих элементов, входящих в ее состав, и при недостаточной стабильности дисперсной системы "загуститель -- масло".

Повышенная испаряемость ПС приводит к увеличению концентрации загустителя, вызывающему в предельном случае потерю пластичности ПС, и образованию  корки на ее наружной поверхности. Способность  ПС сохранять свои свойства при испарении  входящих в нее компонентов оценивается  антииспарительными свойствами

Способность ПС сохранять исходную дисперсионную  систему оценивается коллоидной стабильностью. Коллоидная стабильность определяется способностью ПС сохранять  дисперсную структуру под действием  механических нагрузок. Коллоидная стабильность зависит от температуры. Нарушение  коллоидной стабильности определяется величиной синерезиса -- явления, заключающегося в отделении жидкости от коллоидной системы. С физической точки зрения явление синерезиса можно объяснить следующим. Между волокнами загустителя действуют силы взаимного притяжения, стремящегося их сблизить, сократить объем элементарной структурной ячейки, занимаемой маслом, а следовательно, вытеснить масло в окружающую среду. Когда ПС не нагружена внешними силами, указанный эффект обусловливает "потение" ─ самопроизвольное выделение масла из ПС. При нагружении ПС внешними силами они интенсифицируют сжатие элементарных ячеек ─ выделение масла усиливается. В предельном случае из-за нарушения коллоидной стабильности ПС могут превратиться в комки загустители, плавающие в масле.