CC BY
43
The experimental results of operations forward, backward and combined extrusion billets and their elements. Original schemes dies for isothermal extrusion mode viscoplastic flow.
Key words: isothermal deformation, extrusion temperature, stamp, matrix, punch, strength, grease, viscoplastic flow, short-term creep.
Chudin Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Moscow, Moskow State University of Means of communications,
Perepelkin Aleksey Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tulaarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chernyaev Aleksey Vladimirovich, doctor of technical science, professor, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Pasynkov Andrey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, mpf-tula@rambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.891
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, Д.А. Провоторов
Рассмотрены общие свойства и особенности взаимодействия различных дисперсных компонентов, содержащихся в нефтяных смазочных маслах. Представлена классификация дисперсных компонентов смазочного слоя. Разработана модель взаимодействия дисперсных компонентов смазочного слоя. Приведены результаты экспериментального исследования взаимодействия наночастицдихалькогенидов вольфрама с частицами износа и высокодисперсными продуктами окисления.
Ключевые слова: дисперсный компонент, смазочный слой, нефтяное смазочное масло, трение, износ, смазка, дихалькогениды вольфрама, наночастицы, взаимодействие.
Дисперсные компоненты в нефтяных смазочных маслах по форме возникновения можно разделить на три основных вида[1, 2, 11]:
1) дисперсные компоненты, генерируемые в процессе трения и окисления масел (частицы износа: металла, окислов; выкристаллизованные при понижении температуры парафины и церезины; частицы нагара, золы, лаков; пузырьки газов, образовавшихся в узле и из компонентов узла (особенно при срабатывании противопенных присадок) и т.д.);
2) дисперсные компоненты, попадающие в узел трения извне естественным образом при обмене веществом и энергией с внешней средой (частицы пыли, песка, резины (при износе уплотнений); частицы воды или другой жидкости, случайно попавшей в систему; пузырьки газов; микроорганизмы);
3) дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые в узел трения, для улучшения триботехнических свойств смазочных материалов (частицы твёрдых смазочных материалов, металлов, сплавов и т.д.).
Схема классификации дисперсных компонентов приведена на рис.1.
Рис. 1. Классификация дисперсных компонентов в нефтяных маслах
Все представленные в классификации дисперсные компоненты отличаются по химическому составу, структуре, плотности, окислительной стабильности, механическим, триботехническим, биологическим и другим свойствам.
Наряду с отличиями можно выделить целый ряд общих свойств, присущих различным дисперсным компонентам [11]
1. Все данные компоненты обладают раздробленностью. При этом раздробленность определяется размером тела а по той оси, уменьшением которого она достигнута. Раздробленность часто характеризуют величиной, обратной размеру а, называемой дисперсностью [3]:
В = 1/а. (1)
Широко применяется и третья характеристики раздробленности -удельная поверхность, определяемая отношением площади межфазной поверхности к объёму дисперсной фазы (дисперсного компонента):
51,2
5
К.
(2)
дф
В общем случае для систем, содержащих одинаковые частицы произвольной формы [4],
5уд = к/ ■а-1, (3)
где ку - коэффициент, зависящий от формы частиц; а - выбранный линейный размер частиц.
2. Различные дисперсные компоненты в ряде случаев способны адсорбировать поверхностно активные вещества, содержащиеся в маслах. В результате данного процесса часть поверхностно активных компонентов, содержание которых оптимизировано, не идёт на образование полимолекулярных граничных слоёв на поверхностях трения деталей.
3. Крупные частицы дисперсных компонентов, содержащиеся в маслах, при сдавливании дробятся, изменяют свою форму или абразивно воздействуют на поверхности трения.
4. Высокодисперсные компоненты различной природы и формы обладают способностью к шаржированию, заполнению микронеровностей поверхностей трения.
5. Дисперсные компоненты различной дисперсности способны к дискретному экранированию поверхностей трения.
6. Дисперсные компоненты в зависимости от своей природы и условий внешней среды способны коагулировать или флоккулировать с поверхностями трения деталей машин.
7. Дисперсные компоненты, независимо от их природы, способны свободно перемещаться в смазочных маслах. Высокодисперсные компоненты совершают броуновское движение, грубодисперсные - процесс седиментации.
8. Способность при определённых условиях внешней среды под действием ряда факторов создавать слои на поверхностях трения:
- слой флоккулировавших между собою и с поверхностью трения абразивных частиц - абразивные дисперсные компоненты;
- слой - лак, нагар на поверхности трения деталей - смолы и ас-фальтены, карбены и карбоиды [8];
- слой - металлическая композиционная плёнка - реметаллизанты;
- слой с анизотропной слоистой структурой - дисперсные твёрдые смазочные материалы [9];
- слой полимерный - полимеры;
- слой керамический (металлокерамический) - геомодификаторы [10];
- слой слизи из микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности - бактерии, грибы, дрожжи.
9. Способность дисперсных компонентов любой природы к изменению вязкости смазочного масла.
Все перечисленные общие свойства связаны с взаимодействием частиц со смазочными материалами и с поверхностями трения. Вместе с тем, реализуется взаимодействие дисперсных компонентов между собою. При этом возможно взаимодействие частиц одного дисперсного компонента между собою и взаимодействие между различными дисперсными компонентами.
При взаимодействии дисперсных компонентов возможны следующие варианты относительно роста количества частиц одного из них: подавление; нейтралитет; стимуляция.
При этом существуют несколько возможных вариантов взаимодействия двух различных дисперсных компонентов (данные варианты приведены в таблице ниже, под каждым компонентом записано его действие по отношению к другому компоненту).
Варианты взаимодействия двух дисперсных компонентов
№ Дисперсный компонент 1 Дисперсный компонент 2
1 Нейтралитет Стимуляция
2 Стимуляция Нейтралитет
3 Нейтралитет Подавление
4 Подавление Нейтралитет
5 Подавление Стимуляция
6 Стимуляция Подавление
7 Стимуляция Стимуляция
8 Нейтралитет Нейтралитет
9 Подавление Подавление
Такие взаимодействия возможны и для частиц разных размеров у одного и того же дисперсного компонента.
В случае дисперсного компонента из частиц износа: частицы с размерами до 5 мкм [5, 6, 7] подавляют рост числа частиц износа (численности) или находятся в нейтралитете, а частицы с размерами более 5 мкм стимулируют рост численности дисперсного компонента. Аналогичное «внутривидовое противостояние» наблюдается и у пыли относительно роста количества частиц износа.
С увеличением количества дисперсных компонентов в масле число парных взаимодействий и вариантов взаимодействия начинает возрастать. Число парных взаимодействий определяется по формуле
о П!
м"в(П)=с'2 = 1кП-2)!. (4)
Число вариантов взаимодействия для нескольких дисперсных компонентов можно определить из соотношения
Nee (n) = СП ■ (A + 3),
(5)
где п - количество дисперсных компонентов в масле, Сп - число сочетаний из пэлементов по 2, А2-число размещений из 3-х элементов по 2. Но
С
n!
n
2!- (n - 2!) таким образом,
и A3 = 3 - 2 = 6.
9
Nee (n) = ~
n!
2 (n - 2)!
(6)
При этом можно предположить, что парные взаимодействия могут отличаться при наличии вначале двух, а затем трёх или более дисперсных компонентов в смазочном масле. Из аналитического обзора работы [1] видно, что в маслах может содержаться большое количество различных дисперсных компонентов одновременно. В этом случае имеет место значительное число парных взаимодействий и вариантов взаимодействия. Например, при наличии в масле 20 дисперсных компонентов (что вполне возможно) число парных взаимодействий равно 190, а число вариантов взаимодействия 1710.
Основываясь на приведённой классификации, представленных рассуждениях и выводах, сделанных в разделах работы [1], можно представить модель взаимодействия дисперсных компонентов (рис.2).
Рис. 2. Модель взаимодействия дисперсных компонентов
Обозначения на приведённой выше модели: САВ - смолисто-асфальтеновые вещества; стрелки указывают направленность воздействия; П. - подавление роста числа частиц одного дисперсного компонента дру-
201
гим дисперсным компонентом; Н. - нейтральность во взаимодействии дисперсных компонентов; С. - стимуляция роста числа частиц одного дисперсного компонента другим дисперсным компонентом; (П, Н, С) - подавление или нейтралитет, или стимуляция.
В границах данного исследования была реализована экспериментальная оценка несущей способности смазочного слоя нефтяного масла марки МС-20, содержащего различные виды взаимодействующих дисперсных компонентов: WS2- с размером частиц 40нм; геомодификатор трения ГМТс размером частиц 100...200 нм (взятый для сравнения с ди-халькогенидами вольфрама);коллоидно-дисперсные смолисто-асфальтеновые вещества; грубодисперсная сталь Р6АМ5 (для имитации действия абразивных частиц в смазочном слое).
Смолисто-асфальтеновые вещества содержались в МС-20 в концентрации 1 % по массе. Остальные дисперсные компоненты добавлялись в концентрации 2 % по массе. При этом проводились испытания смазочных композиций, содержащих один и несколько дисперсных компонентов. Испытания проводились на четырехшариковой машине трения модели ЧШМ-3,2. Условия данных экспресс испытаний: нагрузка P = 100 кгс = const; время испытания tpc =(10 ± 0,2) с. Результаты проведенных испытаний
приведены на рис. 3.
Рис. 3. Результаты взаимодействия дисперсных компонентов
Полученные данные позволили составить модель взаимодействия выбранных дисперсных компонентов (рис. 4).
-► САВ ---1 , с Частицы износа стань ШХ15 1-
с н с н
н [рудодшперспах сталь Р6ЛМ5 н
и к
WS, ГМТ WSib
Рис. 4. Модель взаимодействия выбранных дисперсных компонентов
На основе результатов проведённого исследования несущей способности смазочного слоя с дисперсными компонентами можно сделать следующие основные выводы:
- дисперсные компоненты, проявившие себя вне смазочных масел в качестве твёрдых антифрикционных покрытий, способствуют при определённых условиях повышению предельной нагрузочной способности смазочного слоя и снижению износа при фрикционном взаимодействии;
- дисперсные добавки подавляют рост числа частиц износа и нейтральны по отношению к другим дисперсным компонентам;
- сталь Р6АМ5 стимулирует приращение количества САВ и частиц износа и нейтральна по отношению к дисперсным добавкам;
- частицы износа стимулируют САВ и нейтральны по отношению к остальным дисперсным компонентам;
- коллоидно-дисперсные частицы САВ нейтральны по отношению ко всем дисперсным компонентам;
- дисперсные добавки снижают износ при наличии грубодисперс-ной стали Р6АМ5, что является предпосылкой для возможности их использования в условиях загрязнённой внешней среды.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 13-08-00553.
Список литературы
1. Бреки А. Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2011. 161 с.
2. Бреки А. Д. О процессах образования и взаимодействия дисперсных компонентов смазочного слоя в узлах трения управляемых систем // Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14 - 15 июня 2013. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. С. 279 - 283.
203
3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988. 464 с.
4. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1989. 238 с.
5. Гаркунов Д.Н. Повышение износостойкости деталей машин. Киев: Машгиз, 1960. 164 с.
6. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
7. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Изд-во МСХА, 2001. 616 с.
8. Бреки А.Д. Оценка состояния нефтяного смазочного масла в подшипниковых узлах по тепловыделению // Материалы международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14 - 15 июня 2011. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011. С. 163 - 166.
9. Бреки А.Д. Выбор дисперсности твёрдого наполнителя для жидкого смазочного материала // Материалы 2-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14 - 15 июня 2012. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. С. 207 - 211.
10. Бреки А.Д. Принципы выбора эффективных смазочных масел с дисперсными добавками для подшипниковых узлов управляемых систем // Материалы 3-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 14 - 15 июня 2013. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2013. С. 284 - 290.
11. Общие свойства и особенности взаимодействия дисперсных компонентов смазочного материала / А.Д. Бреки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Материалы 4-й Международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». 19 -20 июня 2014. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. С. 319 - 326.
Бреки Александр Джалюльевич, канд. техн. наук, доц., зам. зав. кафедрой, а1-Ътек1@уапйех. ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Толочко Олег Викторович, д-р техн. наук, проф., директор научно-технологического комплекса «Материалы и технологии», р1аМ-Щт атаИ.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Васильева Екатерина Сергеевна, канд. техн. наук, доц., каИ'иф' аипЪюх.ги, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-петербургский политехнический университет Петра Великого,
Гвоздев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Стариков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., зам. зав., кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Провоторов Дмитрий Алексеевич, канд. техн. наук, доц.,prodmvt aramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INTERACTION OF THE DISPERSED COMPONENTS OF LUBRICATING COMPOSITE MATERIAL CONTAINING NANOPARTICLES OF TUNGSTEN
DICHALCOGENIDES
A.D. Breki, O.V. Tolochko, E.S. Vasilyeva, A.E. Gvozdev, N.E. Starikov, D.A. Provotorov
The paper discusses the General properties and interaction between the various particulate components in petroleum lubricating oils. The classification of dispersed components of the lubricating layer.Developed a model of interaction between the dispersed components of the lubricating layer. The results of experimental studies of the interaction of the nanopar-ticles of tungsten dichalcogenides with wear particles and superfine products of oxidation.
Key words: dispersive component of the lubricating layer, petroleum lubricating oil, friction, wear, lubrication, tungsten dichalcogenides, nanoparticles, interaction.
Breki Alexander Dzhalyulevich, candidate of technical sciences, docent, deputy head of chair, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, St.Petersburg Polytechnic University of Peter the Great,
Tolochko Oleg Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director of scientific-technological complex "Materials and technologies", plast-ftim@,mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Vasil'eva Ekaterina Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, ka-trinfrainbox.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Polytechnic University Peter the Great,
Gvozdyov Alexander Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, technolo-gy@,tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Pedagogical Universitynamed after L.N. Tolstoy,
Starikov Nikolay Evgenevich, doctor of technical sciences, professor, deputy, head the department, starikov taii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Provotorov Dmitriy Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, prod-mytarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University
