Кужаров Андрей Александрович. Триботехнические свойства нанометричных кластеров меди

Краткое описание

Кужаров Андрей Александрович. Триботехнические свойства нанометричных кластеров меди : Дис. ... канд. техн. наук : 05.02.04 : Ростов н/Д, 2004 174 c. РГБ ОД, 61:04-5/2383

КУЖАРОВ Андрей Александрович
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НАНОМЕТРИЧНЫХ КЛАСТЕРОВ МЕДИ
Специальность 05.02.04 - Трение и износ в машинах
ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата технических наук
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ Лауреат премии Президента’РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор А.А. Рыжкин
Ростов-на-Дону
2004 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
. РАЗДЕЛ 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПО-
^ РОШКОВ ДЛЛ РЕГУЛИРОВАНИЯ И УЛУЧШЕНИЯ
(•
ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ
МАТЕРИАЛОВ 9
1.1. Введение 9
1.2. Эффект избирательного переноса 11
1.3. Трибохимические реакции в режиме безызносности 11
1.4. Металлоплакирующие смазочные материалы 15
1.4.1. Нанометричные кластеры металлов 17
1.4.2. Современные металлоплакирующие смазочные материалы 20
1.4.3. Сравнительные триботехнические характеристики
• современных добавок к смазочным материалам 25
1.4.4. Металлоплакирующие СОТС 29
РАЗДЕЛ 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МЕХАНИЗМОВ САМООРГА-НИЗАЦИИ ПРИ ТРЕНИИ 33
2.1. Структурирование жидкости в гидродинамическом потоке 34
2.2. Механизм уменьшения вязкости в структурированной жидкости ...43
2.3. Самоорганизация в условиях граничного трения и при
переходе в режим безызносности 54
РАЗДЕЛ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 60
3.1. Машины трения 60
3.2. Методики и оборудование физико-химических исследований 65
РАЗДЕЛ 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ
И ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ
ЭФФЕКТА БЕЗЫЗНОСНОСТИ ПРИ ТРЕНИИ 68
4.1. Трибологические свойства систем "латунь - спирт - сталь" 68
. з
4.2. Анализ поверхности трения 74
4.3. Химический состав поверхности трения 83
4.3.1. Элементный анализ поверхности трения 83
4.3.2. Исследование состава органической пленки на
^ поверхности трения 91
РАЗДЕЛ 5. РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХ-НОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СМАЗОЧНЫХ КОМПО¬ЗИЦИЙ, СОДЕРЖАЩИХ НАНОМЕТРИЧНЫЕ
КЛАСТЕРЫ МЕДИ 104
РАЗДЕЛ 6. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ НАНОМЕТРИЧНЫХ КЛАСТЕРОВ МЕДИ 109
6.1. Исследование трибологических свойств при трении 109
6.2. Эффективность применения нанометричных кластеров
в СОТС при резании 116
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ 118
ЛИТЕРАТУРА 121
ПРИЛОЖЕНИЯ 133
♦
ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы. Стратегической линией развития современной триботехники является использование самоорганизующихся трибосистем, среди которых особое место занимает наиболее изученная система «медный сплав - глицерин - сталь», обеспечивающая реализацию эффекта безызносности при трении, который проще всего достигается применением металлоплакирующих смазок, в качестве активных компонентов которых применяются высокодисперсные порошки металлов, в частности, меди и её сплавов. Смазочные материалы с такими присадками используются, в частности, в качестве автомобильных масел или металлоплакирующих пластичных смазок и широко представлены на рынке образцами отечественных и зарубежных производителей, например, “Атланта”, “Вымпел”, МС 1000, “Lubrifilm”, СМ-01-“Л”, Феном, Optimol, ER(Energy Release) и др.
Эффективность, смазочных материалов, особенно жидких, содержащих в своём составе высокодисперсные металлы, не всегда соответствуют рекламным характеристикам, что требует проведения дополнительных научных исследований, позволяющих объективно судить о триботехнических свойствах металлоплакирующих смазок в различных узлах трения и управлять ими на основании сведений о механизме смазочного действия.
В связи с этим, представляется актуальным использовать в качестве металлоплакирующих присадок к жидким смазочным материалам нанометричные кластеры металлов, обладающие специфическими, а в ряде случаев и уникальными механическими и физико-химическими характеристиками и позволяющие получать их устойчивые композиции даже в маловязких жидкостях. Триботехнические свойства таких кластеров, а также способы получения смазок, их содержащих, до проведения настоящей работы были неизвестны.
Таким образом, актуальность настоящей работы заключается в необходимости создания научных основ для изучения закономерностей изнашивания в трибосистемах, одним из компонентов которых являются жидкие смазочные материалы с нанометричными кластерами меди, обеспечивающие реализацию эффекта безызносности при трении.
Работа выполнена в рамках договора о межвузовском научном сотрудничестве между ДГТУ и Радомским техническим университетом (Польша) от 25.05.94 г. при финансовой поддержке Министерства образования РФ в форме гранта РФ № ТОО-6.1-Ю77 и гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ РФ-НШ- 1096.2003.8. Основанием для выполнения работы служили государственные программы Министерства образования РФ: «Экспортные технологии и международное сотрудничество» на 1996-2000 гг., «Исследование самоорганизации фрикционных систем при трении» на 1999-2000гг., «Исследование самоорганизации в механических системах» на 2000-2001 гг.
Цель работы: Повышение долговечности узлов трения за счёт самоорганизации трибосистем применением смазочных материалов с нанометричными кластерами меди.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Теоретическое обоснование возможности самоорганизации при использовании анизодиаметричных кластеров металлов нанометричных размеров при трении в гидродинамическом и граничном режимах смазки, а также в условиях эффекта безызносности.
2. Экспериментальное исследование механизма самоорганизации в условиях эффекта безызносности современными физико-химическими и трибологическими методами.
б
3. Разработка методики и оптимизация технологии получения смазочных композиций, содержащих нанометричные кластеры меди.
4. Изучение триботехнических свойств жидких смазочных материалов с нанометричными кластерами меди в процессах трения.
5. Исследование механизма смазочного действия и самоорганизации в средах с нанометричными кластерами меди при реализации избирательного переноса.
Научная новизна:
1. Экспериментально доказано, что механизм формирования сервовитной плёнки в классической трибосистеме «латунь — глицерин - сталь» включает образование в процессе трения кластеров меди с размерами менее 1СГ7 м.
2. Выявлено влияние химического строения органических спиртов на возможность реализации в их водных растворах эффекта безызносности при трении латуни по стали: увеличение атомности спирта и длины углеводородного радикала облегчают реализацию эффекта безызносности.
3. Установлено, что самоорганизация трибологических систем со смазками, содержащими нанометричные кластеры меди в гидродинамическом режиме, обеспечивается структурированием поддерживающего слоя за счёт ориентационной упорядоченности анизодиаметричных частиц в градиентном потоке и образование упорядоченных молекулярных супраструктур. В условиях граничного трения и при переходе в режим ИП самоорганизация обусловлена ступенчатой коагуляцией на поверхности трения полидисперсной фазы нанометричных кластеров из раствора электролита, формированием в контактной зоне сервовитной медной плёнки, структура которой по нормали к поверхности характеризуется градиентом состава и механических свойств, а также периодическим изменением в зоне
контакта концентрации ионов электролита, что вызывает колебательный характер изменения триботехнических свойств пары трения.
4. В качестве управляющих параметров в молекулярных механизмах самоорганизации в исследованной трибосистеме выступает
обусловленные трением градиенты скорости относительного
скольжения dV/dXj в условиях гидродинамического трения и концентрации активных компонентов смазки dc/dxj при граничном трении и при переходе в режим ИП.
Практическая ценность: .
1. Разработана и оптимизирована технология получения жидких смазочных материалов, содержащих в своём составе нанометричные кластеры меди, заключающаяся в комплексном (электрическом и ультразвуковом) воздействии на смазочную среду, выполняющую роль электролита, в процессе электролиза с медным анодом. Показано, что наибольшее влияние на размер образующихся кластеров меди в разработанной технологии оказывает ток электролиза, мощность и частота ультразвукового воздействия.
2. Установлена эффективность смазочных материалов с нанометричными кластерами меди в условиях гидродинамического и граничного трения, а также в режиме избирательного переноса в парах трения «бронза- сталь» и «сталь - сталь».
3. Определены области (P,V,T), обеспечивающие функционирование исследованных трибосистем в режиме самоорганизации с низкими и сверхнизкими значениями коэффициента трения. Показано, что независимо от геометрии контакта (точечный, линейный или контакт площадей) на сопряжённых поверхностях образуется медная плёнка, обеспечивающая снижение коэффициента трения в отдельных случаях до 10'3 и интенсивность износа до 10'12. 
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на: Втором всероссийском семинаре «Нелинейные' процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении», Воронеж, 3-5 февраля 1999 г.; международной конференция «Надёжность и качество в промышленности, энергетике и на транспорте», Самара, 6-8 октября 1999 г.; 2-й международной научно¬технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», Новочеркасск, 1999г.; XX международной Чугаевской конференции по координационной химии, Ростов-на-Дону, 25¬29 июня 2001 г.; VI международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2001», Ростов-на-Дону, 25-28 сентября 2001 г.; Международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Азов, 25-28 сентября 2001 г.; Втором Международном конгрессе студентов, молодых учёных и специалистов «Молодёжь и наука - третье тысячелетие»/У8ТМ'02, Москва, 15-19 апреля 2002 г.; The XIV-th conference “Physical Methods in Coordination and Supramolecular Chemistry”. Chisinau, Moldova, 9-12 сентября 2002 г.; II международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 12-21 сентября 2003 г. и ежегодных научно-технических конференциях профессорско¬преподавательского состава ДГТУ 1999-2003 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 10 в центральной печати.
РАЗДЕЛ 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ И УЛУЧШЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ.
1.1. Введение.
Развитие современной техники идет по пути все большего ужесточе¬ния условий работы подвижных сопряжений машин и механизмов, что обусловлено непрерывным ростом энергонапряженности узлов трения, связанным с необходимостью улучшения функциональных, энергетиче¬ских и экономических характеристик продукции машиностроения. Други¬ми словами, современные машины работают фактически на пределе своих технических возможностей. В связи с этим, дальнейший технический про¬гресс невозможен без использования заложенных в машиностроительных материалах максимальных потенциальных возможностей, которые в пол¬ной мере проявляются только в условиях самоорганизации технических систем.
Применительно к трибологии эта мысль нашла свое подтверждение в словах академика Фролова [1], который в прогнозе развития трибологии и триботехники на XXI век определил основную ее задачу как "создание ба¬зисных самоорганизующихся трибосистем и на их основе решение акту¬альной технической задачи - кардинальное повышение ресурса трибосоп¬ряжений и машин в целом".
Учитывая последнее, можно полагать, что полная реализация техни-ко-экономического потенциала, заложенного в действующие и проекти¬руемые машины, возможна только при непременном использовании в уз¬лах трения высококачественных конструкционных и смазочных материа¬лов, обеспечивающих самоорганизацию при трении. Высокие эксплуата¬ционные свойства смазочных материалов: масел, пластичных смазок, гид¬
рожидкостей, смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и т.д. - достигаются за счёт различных факторов, и в частности введением в их состав высокодисперсных порошков металлов, их оксидов, солей, коор¬динационных и металлогрганических соединений, т.е. металлсодержащих добавок и присадок [2,3], теоретические основы, применения которых бы¬ли заложены при исследовании эффекта избирательного переноса [4,5].
Ранее других металлоплакирующие смазочные материалы были соз¬даны на базе пластичных смазок, используемых в тяжелонагруженных уз¬лах трения транспортных средств, где рост мощности неизменно вызывает потребность во все более качественных смазках [6].
Поскольку смазочный материал на поверхностях трущихся деталей является тем элементом трибосистемы, который в ходе фрикционного взаимодействия непрерывно взаимодействует с колоссальными потоками энергии и от способности которого передавать и преобразовывать (дисси- пировать) эту энергию во многом зависит надежность и долговечность трущихся деталей машин, то поиск новых путей повышения качества сма¬зочных материалов, в частности, металлоплакирующих смазок и СОТС, в настоящее время приобретает особое значение, поскольку в этом направ¬лении в последние годы были достигнуты обнадеживающие результаты, показывающие, что процесс фрикционного взаимодействия можно перене¬сти в объем формирующейся при трении сервовитной пленки и тем самым обеспечить в ряде известных случаев [6] практическую безызносность кон¬тактирующих при трении деталей машин и механизмов.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ.
Из представленных в работе литературных данных, результатов теоретических и экспериментальных исследований следует, что дальнейшим развитием современных тенденций в повышении качества и триботехнической эффективности металлоплакирующих смазочных материалов, связанных с регулированием размеров и формы частиц металла в составе смазки с целью увеличения стабильности получаемых композиций и безусловно транспорта металлоплакирующего компонента в зону фрикционного контакта, является, учитывая возможности синтеза нанометричных кластеров металлов, использование в рецептурах жидких смазочных материалов гигантских кластеров, обеспечивающих самоорганизацию трибологических систем и функционирование их в условиях безызносного трения, т.е. в результате выполнения диссертационной работы получено новое решение актуальной задачи - создание саморегулирующихся трибосистем, что имеет существенное значение для развития теоретической и прикладной трибологии.
На основании вышеизложенных в настоящей работе исследований можно сделать следующие выводы:
1. При исследовании современными физико-химическими методами механизма избирательного переноса в классической «латунь-глицерин-сталь» и модельных трибосистемах показано, что самоорганизация при формировании сервовитной плёнки в процессе перехода исследованных систем в режим безызносности взаимно происходит с участием металлических кластеров с размерами не более 10’7 м.
2. Предложены физические модели для обоснования эффективности анизодиаметричных кластеров меди при самоорганизации в условиях гидродинамического и граничного трения, а также при переходе в режим безызносного трения.
3. Показано, что самоорганизация исследуемых трибосистем обусловлена, в условиях граничного трения и при переходе в режим безызносности, ступенчатой коагуляцией кластеров меди, что сопровождается формированием градиентной структуры сервовитной плёнки, колебательным характером изменения её состава и толщины, а также периодическими колебаниями силы трения. В гидродинамическом и эластогидродинамическом режимах, структурирование нанометричных кластеров в градиентном гидродинамическом потоке приводит к смене механизма' вязкого течения, сопровождающегося уменьшением вязкости жидкости в поддерживающем слое и снижением силы трения.
4. Установлено, что управляющими параметрами самоорганизации при использовании в составе смазки кластеров металлов в условиях гидродинамического трения является градиент скорости, а при граничном трении - градиент концентрации ионов электролита в слоях смазки, непосредственно прилегающих к зоне контакта.
5. Разработан способ и оптимизирована технология получения стабильных смазочных композиций, содержащих в своём составе кластеры меди с
о
размерами ~3-10' м. В прецизионном трибологическом эксперименте, в широком диапазоне P,V,T, при исследовании трибологических и электрических свойств контактной зоны пары трения «бронза-сталь» и «сталь-сталь» в средах с нанометричными кластерами меди установлено, что самоорганизация в такой трибосистеме проявляется в виде синхронных автоколебаний силы трения и электрического сопротивления контактной зоны, причём при росте силы трения сопротивление падает и наоборот.
6. Установлено, что всё многообразие видов трения реализуемых в паре бронза-сталь при трении в средах с нанометричными кластерами может быть представлено пятью режимами: гидродинамическим, граничным, ИП, переходным от гидродинамического к граничному и от граничного к ИП. Определены триботехнические и электрические характеристики контактной зоны, специфические для каждого из отмеченных режимов.
7. Продемонстрирована эффективность нанометричных кластеров меди в составах жидких смазочных материалов и СОТО при трении
1 независимо от геометрии (точечный, линейный, контакт поверхностей)
фрикционного контакта. Показано, что и в неблагоприятных для реализации ИП условиях: при испытаниях на ЧШМ и при сверлении глубоких отверстий на трущихся поверхностях формируется сервовитная плёнка, улучшающая фрикционные характеристики контакта и уменьшающая износ контактирующих поверхностей.
8. Предложен механизм трибохимических превращений глицерина при
трении в режиме безызносности, включающий реакции его трибоокисления, трибоконденсации, трибополимеризации,
трибокоординации, а также трибокластеризации трущихся металлов. Показано, что реакции с участием металлов поверхности трения имеют особое значение в механизме формирования сервовитной плёнки.
9. Разработана аппаратура и технология для получения нанометричных кластеров меди в растворах электролитов и в водно-масляных эмульсиях, позволяющая модифицировать стандартные СОТС с целью улучшения их эксплуатационных свойств.
Ю.Результаты работы использованы ОАО «Роствертол», ОАО
НПП КП «КВАНТ», ФГУП ОКТБ «Орион», а так же при выполнении государственных программ России и Польши и входят в договор о международном сотрудничестве между ДГТУ и Техническим университетом г. Радома (Польша). Ожидаемый экономический эффект • составляет более 100 тыс. рублей в год.