CC BY
24
УДК 621.89
ПЛАСТИЧНЫЕ СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НАНОПОРОШКОВЫМИ ЗАГУСТИТЕЛЯМИ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
© 2014 г. Г.И. Шульга, Е.В. Скринников, Т.Г. Шульга
Шульга Геннадий Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: g. shulga41@mail. га
Скринников Евгений Валерьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автомобильный транспорт и организация дорожного движения», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Шульга Татьяна Геннадьевна - канд. техн. наук, ст. преподаватель, кафедра «Безопасность жизнедеятельности», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: [email protected]
Shulga Gennady Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Automobile transportation and traffic organization», Platov South-Russian State Polytechnic University. E-mail: [email protected]
Skrinnikov Yevgeny Valerievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Automobile transportation and traffic organization», Platov South-Russian State Polytechnic University. E-mail: [email protected]
Shulga Tatyana Gennadyevna - Candidate of Technical Sciences, senior lector, department «Life Protection Scin-ces», Rostov State Transport University. E-mail: t.shulga @mail.ru
Приведены требования, предъявляемые к пластичным смазочным материалам, используемым в узлах трения транспортных средств. Рассмотрена возможность применения в узлах трения автомобилей пластичного смазочного материала «Дон-3» на основе компаундированных синтетических жидкостей, загущенных структурированными нанопорошками сажи и политетрафторэтилена.
Ключевые слова: пластичный смазочный материал; порошковый загуститель; олигоорганосилоксан; транспортное средство; структурированный нанопорошок.
The requirements demanded for lubricating materials (PLM) used in friction units of transportation means, have been given. The possibility of using plastic lubricating material «Don-3» the basis of compounding synthetic liquids, thickened by structural nanopowders andpolytetrafluorideetilene has been considered.
Keywords: plastic lubricating materials; powder tickening agents; oligoorganosiloxane; transportation means; structural nanopowders.
Развитие автомобильной, авиационной, машиностроительной, металлургической, нефтегазодобывающих отраслей промышленности стимулирует рост потребления пластичных смазочных материалов (ПСМ). Мировое производство ПСМ составляет около 1 млн т в год - 3,5 % выпуска всех смазочных материалов и значительно меньше выпуска смазочных масел - около 40 млн т [1, 2].
В России вырабатывается примерно 150 наименований ПСМ в количестве 45...50 тыс. т/год. По структуре производства основу отечественного ассортимента 44,1 % около 20 тыс. т/год составляют устаревшие гидратированные кальциевые ПСМ (солидо-лы); 23,4 % - около 10 тыс. т/год составляют литиевые ПСМ; натриевокальцевых ПСМ выпускается 31 % - около 12,5 тыс. т/год; ПСМ на алюминиевых, цинковых смешанных мылах (литиевокальциевых, литиевоцинковых, литиевоцинковосвинцовых, барие-восвинцовых и др.) выпускается 0,3 % - 89 т/год.
Доля немыльных ПСМ, приготовленных на высокодисперсных, термостабильных порошковых неор-
ганических загустителях (аэросилы, силикагели, бентониты, асбесты, графиты и др.) и органических загустителях (сажа, пигменты, полимеры, полимочевина и др.), составляет 0,2 % - менее 10 т/год. Это узкоспециализированные термостойкие до 200.250 °С и химически стойкие пластичные смазочные материалы. В США доля таких пластичных смазочных материалов составляет - 6,7 %. Разработка ПСМ на немыльных нанопорошковых загустителях для узлов трения транспортных средств является перспективным направлением современной трибологии и химмотологии.
ПСМ применяются в узлах трения автомобилей для смазывания: подшипников качения ступиц колес, шаровых шарниров подвески и рулевого управления, карданных шарниров равных угловых скоростей, контактов переключателей указателей поворотов автомобилей, игольчатых подшипников крестовин карданного вала, а также используются в тросах привода ручного тормоза, обгонных муфтах стартера, направляющих суппортов тормозного механизма, при сборке дисковых тормозов и др.
Самыми распространенными отечественными многоцелевыми ПСМ, применяемыми в сопряжениях автомобильного транспорта, являются: Литол-24, Литол-24РК, Фиол-1, Фиол-2, Фиол-2У, Фиол-3, смазочный материал 158, ЛСЦ 15, ШРУС-4, КСБ-1, ДТ-1. В сопряжениях тракторов применяют универсальный пластичный смазочный материал УС-2 для набивки полостей вилок кардана и переднего подшипника главной муфты сцепления перед их сборкой, для смазывания подшипников генератора применяют ЦИАТИМ - 221.
К наиболее ответственным узлам трения ходовой части автомобилей относятся подшипники ступиц колес, шарниры ручного управления, карданные шарниры равных угловых скоростей. ПСМ должны удовлетворять следующим требованиям: обладать высокой смазочной способностью в широком интервале нагрузок, температур и скоростей, долговечностью и надежностью, эффективно предотвращать износ, а также обладать водостойкостью и антикоррозионными свойствами [3].
Для многих узлов трения автомобилей применяется ресурсное смазывание, т.е. ПСМ закладывается при сборке узла трения и обеспечивает его работоспособность в течение всего срока службы. Долговечность дорогостоящих узлов трения в значительной степени определяется качеством ПСМ. Надежность таких узлов трения непосредственно влияет на безопасность автомобиля, а ресурс лимитируется выносом из них и разрушением ПСМ.
ПСМ, применяемые в подшипниках ступиц колес, шарнирах ручного управления, карданных шарнирах равных угловых скоростей из-за недостаточной герметичности узлов трения подвержены непосредственному воздействию воды. Это происходит в дождливую погоду или при преодалении вброд водных преград.
Применительно к ПСМ водостойкость включает: растворимость в воде, способность поглощать влагу из окружающей атмосферы (гигроскопичность), проницаемость смазочного слоя для паров влаги, устойчивость к действию капельной и струйной воды.
Водостойкость непосредственно связана с антикоррозионными свойствами и является одним из показателей защитных свойств ПСМ. Стандарты на отечественные ПСМ, предназначенные для применения в узлах трения автомобилей, не предусматривают проведение испытаний ПСМ на водостойкость. Для рассматриваемых узлов трения с целью испытания на водостойкость ПСМ может быть применен стандарт ASTM D 1264. Для автомобильных ПСМ наивысшей категории качества NLGL GC-LB этот показатель должен быть не более 15 %.
Синтетические олигоорганосилоксановые жидкости могут быть дисперсионной средой для разработки ПСМ, обеспечивающих длительную работу в широком интервале температур узлов трения ходовой части транспортных средств, механизмов и агрегатов трансмиссий, узлов трения, систем охлаждения транс-
портных средств. Однако низкие смазочные свойства и высокая стоимость олигоорганосилоксановых жидкостей ограничивают их широкое применение [4].
При компаундировании олигоорганосилоксанов с синтетическими жидкостями, вследствие горизонтальной ориентации молекул олигоорганосилоксанов на трущихся поверхностях и слабом физико-химическом взаимодействии между спиралевидными молекулами олигоорганосилоксанов образуются дополнительные граничные смазочные слои из данных материалов. При совместной адсорбции спиралевидных молекул олигоорганосилоксанов и молекул вводимых смазочных веществ при определенной концентрации происходит повышение нагрузочной способности и проявляется синергизм смазочного действия компаундированных синтетических материалов [5 - 8].
Сажа как загуститель при производстве пластичных смазочных материалов характеризуется универсальностью действия - одинаково хорошо загущает углеводородные масла, алкилароматические и поли-органосилоксановые жидкости, простые и сложные эфиры [9].
Пластичные смазочные материалы, содержащие нанопорошковый политетрафторэтилен (ПТФЭ), отличаются высокой термостойкостью, устойчивостью к химически активным веществам, хорошей смазывающей способностью.
Введение структурированных нанопорошков сажи и ПТФЭ, являющихся загустителем пластичного смазочного материала, приводит к созданию в трибо-сопряжениях дополнительных двухслойных смазочных пленок, состоящей из пленки сажи, структурированной политетрафторэтиленом, и граничного слоя смазочного материала.
Для исследования механизма смазочного действия разработанного пластичного смазочного материала «Дон-3» проводили его испытания на торцевой машине трения пары сталь 08ОЮСВ2А - сталь 40 при частоте вращения шпинделя n = 47,3 мин-1 (линейная скорость 0,01 м/с), осевой нагрузке 400 Н и времени испытания 1 мин. На поверхностях образцов образовывались пленки, генерируемые из ПСМ. Коэффициент трения трибосопряжения сталь 080ЮСВ2А - сталь 40 составил 0,16...0,18, износ образца - 1,5.1,7 • 10-2 г. Пленки, образующиеся в трибосопряжении, исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Quanta 200 (производитель: FEI Company, Holland) в следующих условиях:
- рабочие режимы: HV - высокий вакуум (давление 2,5-10-2 Па);
- ускоряющее напряжение 15 кВ;
- увеличение от 25 до 150000;
- используемый детектор - детектор Эверхарта-Торнли - высокий вакуум.
Поэлементный состав пленок, образующихся в трибосопряжени, исследовали на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Quanta 200 (производитель: FEI Company, Holland).
Из рис. 1 следует, что поэлементный состав кластеров структурированной сажи и политетрафторэтилена состоит из атомов углерода - 88,95 %, кислорода - 2,18 % и фтора - 8,87 %.
Исследования структурированных кластеров сажи и ПТФЭ показали, что такие комбинированные загустители могут эффективно применяться при производстве пластичных смазочных материалов, обеспечивающих длительную работу узлов трения без замены смазочного материала в широком интервале температур и нагрузок [6].
На рис. 2 показано, что пленки, генерируемые из
пластичного смазочного материала, состояли из 12,37 % углерода, 2,95 % фтора и кремния - 0,82 %; железо -83,86 % - представляет собой, по-видимому, элемент поверхностного слоя испытуемого образца.
Нанопленки, образующиеся в трибосопряжениях, не имеют развитого рельефа поверхности и обеспечивают низкие значения силы трения.
Проведены сравнительные испытания разработанного состава ПСМ «Дон-3» с «Касетол», ВНИИНП-231, выпускаемых отечественной промышленностью. Результаты сравнительных испытаний данных ПСМ приведены на рис. 3.
1,5 с 1,2 0,9 -0,6 -0,3 0
Element Wt% At %
CK 88.95 92.47
OK 02.18 01.70
FK 08.87 05.83
Matrix Correction ZAF
1 2
3
4 5 6 7 Энергия, кВ
8 9 10
Рис. 1. Структура и поэлементный состав смеси порошков сажи и политетрафторэтилена
850
680 510 340 170 0
Fe F
Element Wt% At %
CK 12.37 37.92
FK 02.95 05.73
SiK 00.82 01.07
FeK 83.86 55.28
Matrix Correction ZAF
Fe
C
Si
iidäuii
x
2 3
4 5 6 7 Энергия, кВ
8 9
10
Рис. 2. Исследование пленок, образующихся на поверхности образца сталь 08ОЮСВ2А, при смазывании пластичным смазочным материалом «Дон-3» пары трения 08ОЮСВ2А - сталь 40
И'10, г 0,30 0,20 0,10 0
1 /
/J
К
100
200
300
400
500
600 Рос, Н
И
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о
100
/ /
у
3
) ——< 4
}—==ö
200
300
400
500
600 Рос, Н
а б
Рис. 3. Зависимость весового износа И (а) и коэффициента трения ц (б) от осевой нагрузки Рос при трении пары сталь У8А - стальУ8А и смазывании: 1 - ВНИИНП-231; 2 - «Дон-3»; 3 - «Касетол»
Из рис. 3 следует, что разработанный ПСМ «Дон-3» обладает лучшими противоизносными и антифрикционными свойствами по сравнению с ВНИИНП-231, имеет близкую критическую нагрузку заедания и про-тивоизносные и антифрикционные свойства к ПСМ «Касетол», содержащий мыльный загуститель.
Таким образом, нанопленки, генерируемые в трибосопряжениях при смазывании пластичным смазочным материалом «Дон-3», содержащим в качестве дисперсионной среды олигоорганосилоксан, компаундированный с синтетической жидкостью, а в качестве загустителя структурированные нанопорошки сажи и ПТФЭ, оказывают существенное влияние на повышение долговечности, надежности узлов трения транспортных средств.
Литература
1. tdroskomplekt.ru/catalogue/2113/2114/2118. html.
2. http://www/ interim.ru./produce/?c=43.
3. atf.ru/pres/245/html.
4. Шульга Г.И. Смазочное действие олигоорганосилоксано-вых жидкостей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1997. № 4. С. 38 - 46.
5. Шульга Г.И. Синергизм смазочного действия олигоорга-носилоксановых жидкостей при компаундировании с синтетическими жирными кислотами и сложными эфи-рами // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 1998. № 1. С. 36 - 40.
Поступила в редакцию
6. Шульга Г.И., Скринников Е.В., Арсеньева Н.С. Синергизм смазочного действия олигоорганосилоксановых жидкостей при компаундировании с совместимыми добавками // Проблемы трибоэлектрохимии: Материалы V Междунар. науч.-техн. конф., г. Новочеркасск, 16-19 мая
2006 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск,
2006. С. 231 - 236.
7. Шульга Г.И., Скринников Е.В., Арсеньева Н.С. Пластичные смазочные материалы на основе компаундированных дисперсионных сред // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатронике: Материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 2 нояб. 2007 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск, 2007. С. 29 - 31
8. Шульга Г.И., Скринников Е.В., Арсеньева Н.С. Трибо-технические свойства компаундированной полиэтилор-ганосилоксановой жидкости с минеральными маслами // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохи-мии, материаловедении и мехатронике: Материалы VI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 2 нояб.
2007 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск,
2007. С. 31 - 34.
9. Шульга Г.И., Скринников Е.В., Арсеньева Н.С. Исследование нанопорошков сажи и политетрафторэтилена, применяемых в качестве загустителя пластичных смазочных материалов // Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и мехатро-нике: Материалы VII Междунар. науч-практ. конф., г. Новочеркасск, 3 нояб. 2008 г. / Юж-Рос.гос. техн. ун-т (НПИ). Новочеркасск:, 2008. С. 20 - 25.
10. Шульга Г.И., Скринников Е.В., Колесниченко А.О., Конечный А.Н. Смазочные свойства пластичных смазочных материалов со структурированными нанопорошко-выми загустителям // Вестн. Ростовского государственного университета путей сообщения: науч.-техн. журн.. 2011. № 4 (44). С. 108 - 114.
14 июля 2014 г.
