На правах рукописи

Хуссеин Хайдар А.

ТВЕРДЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ

ПРИСАДКИ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО ГРАФИТА

ДЛЯ ПЛАСТИЧНЫХ СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.04 — Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ивановский государственный химикотехнологический университет»

Научные руководители доктор технических наук, профессор Мельников Вячеслав Георгиевич доктор технических наук, профессор Годлевский Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гинзбург Борис Моисеевич доктор технических наук, доцент Берёзина Елена Владимировна

Ведущая организация ОАО «ТОЧПРИБОР», г. Иваново

Защита состоится «» _ 2009 г. в час. на заседании диссертационного совета Д 002.075.01 при Институте проблем машиноведения РАН по адресу: 199178 Санкт-Петербург, Васильевский остров, Большой проспект, 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМАШ РАН Автореферат разослан «_» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор — В.В. Дубаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Одним из путей повышения долговечности и надежности машин является улучшение противоизносных и антифрикционных свойств смазочных материалов (СМ). Это может быть достигнуто введением присадок и активных наполнителей. Хороший результат демонстрируют в пластичных смазочных материалах (ПСМ) порошковые присадки твердых смазочных материалов (ТСМ). Большинство из них хорошо совмещаются с базовой основой, другими присадками и наполнителями, что дает возможность широко варьировать их состав и свойства. Чаще всего используют вещества слоистого («анизодесмического») строения — графит, дисульфид молибдена (молибденит), а также сульфид серебра, пористый свинец. Часто в качестве порошковых добавок используют «металлоплакирующие» наполнители («реметаллизанты»).

В настоящей работе предложено расширить диапазон применения твердосмазочных трибоактивных компонентов ПСМ путем использования композитных порошков (частицы ТСМ с покрытиями). Этот путь имеет практическое и теоретическое значение для разработки и использования новых эффективных ПСМ. Механизм действия композитных ТСМ мало изучен. В литературе нет данных, обосновывающих применение порошков с покрытиями.

Работа выполнена в рамках исследований Кафедры механики ИГХТУ в области разработки новых компонентов ПСМ, в соответствии с тематическим планом НИР ИГХТУ на 2006-2010 г.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение триботехнических характеристик пластичных смазочных материалов за счет введения порошковых ТСМ композитного состава. В рамках названной цели предполагалось решить следующие задачи.

1. Разработать теоретическую концепцию и математическую модель, описывающую механизм действия композитных порошков в качестве трибоактивных присадок.

2. Выявить зависимость между химическим составом, концентрацией и триботехническими параметрами композиционных присадок различной природы.

3. Создать новые, эффективные присадки порошков c покрытиями.

Автор защищает 1. Теоретическую концепцию, объясняющую эффективность композиционных (покрытых) порошковых ТСМ избытком поверхностной энергии полидисперсной системы.

2. Математическую модель и методику расчета поверхностной энергии композитной присадки по сравнению с раздельным введением компонентов.

3. Новые составы композитных порошковых присадок.

4. Количественные зависимости, связывающие состав и концентрацию композиционных присадок в ПСМ с их триботехническими характеристиками.

Научная новизна работы заключается в:

1. разработке теоретических положений, обосновывающих применение в смазочных материалах композиционных (покрытых) порошковых твердосмазочных присадок;

2. получении количественных закономерностей триботехнической эффективности композиционных присадок ТСМ;

Практическая полезность Разработана лабораторная технология получения композитных присадок ТСМ, получены модельные составы ПСМ повышенной триботехнической эффективности, в том числе композитных присадок с двухслойным покрытием. На способ получения графитового порошка с двухслойным металлическим покрытием авторским коллективом при участии автора диссертации была подана заявка на патент (Заявка № 2008121021/04(024901), приоритет от 26.05.2008), по которой получено положительное решение. Техническая информация о результатах диссертационной работы передана организациипроизводителю для разработки на этой основе серийных СМ и организации малотоннажного производства. Результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры «Механика» ИГХТУ при чтении курса «Триботехника», выполнении студентами лабораторных, курсовых и дипломных работ.

Методы исследования Задачи, поставленные в работе, решались теоретическими и экспериментальными методами. В теоретических исследованиях применены основные положения физикохимии поверхностей. Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с известными методиками выполения триботехнических испытаний по измерению трения и износа. Новые типы покрытий порошков создавали с использованием химической технологии нанесения покрытий на неметаллические поверхности.

Частицы присадок исследовали методами оптической и электронной микроскопии, электронографии. Для оценки гранулометрического состава порошков применяли соответствующие методы математической статистики.

Исследование поверхностей трения производили методами оптической микроскопии, профилометрии и путем измерения микротвердости. Экспериментальные зависимости обрабатывали с использованием регрессионного анализа.

Обоснованность и достоверность результатов. Основные результаты и выводы настоящей работы являются обоснованными и достоверными, поскольку: применена статистическая обработка результатов эксперимента, использованы стохастические модели при построении экспериментальных зависимостей. Имеется удовлетворительное согласование теоретических результатов с экспериментальными данными настоящей работы, а также литературными данными о других исследованиях; корректным применением известных методик физико-химических исследований к выбранным классам смазочных материалов.

Личный вклад автора. Лично автору принадлежат: направление работы, постановка задач, программа и методология исследований; непосредственное выполнение всех экспериментов, построение математических моделей, установление основных закономерностей, формулирование выводов, разработка на базе выполненных исследований составов ПСМ.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих научных конференциях, симпозиумах, семинарах Междунар. научно-методич. конф. Иваново, ИГСХА, 2007 г.; Научнопрактической научной конференции по трибологии. Иваново, ИвГУ, 2008 г.;

Научно-практической научной конференции ИГСХА, Иваново, 2008 г.; VIII Междунар. научн. конф. «Трибология и надежность» С-Петербург, 23– окт. 2008 г.; заседании научно-технического совета ИГХТУ, май 2008 г.; научном семинаре Ивановского института государственной противопожарной службы МЧС РФ, январь 2009 г.; научном семинаре Института наноматериалов Ивановского государственного университета, январь 2008 г.; Городском семинаре по механике Института проблем машиноведения РАН, С.Петербург, март 2009 г., Региональной научно-техн. конф. «Материаловедение и надежность триботехнических систем», Иваново, апрель 2009 г.; ежегодных научных конференциях преподавателей и сотрудников кафедры «Механика» ИГХТУ, 2006–09 гг.

Практическая ценность и реализация результатов работы Результаты работы нашли применение в учебном процессе кафедры механики Ивановского государственного химико-технологического университета в виде лабораторных практикумов, курсовых и дипломных работ студентов;

вошли в ряд дисциплин, читаемых на факультете.

Публикации. Основное содержание работы

изложено в 12 печатных работах, в том числе 1 работа — в журнале, входящем в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 155 страницах, содержит список условных обозначений, введение, 6 основных глав, заключение, список литературы из 154 наименований. Работа включает 46 рисунков и 8 таблиц.

Основное содержание работы Во Введении дается общая характеристика исследуемой проблемы, приводится данные об актуальности, новизне, апробации и практическом использовании результатов работы.

Глава 1 содержит аналитический обзор проблемы действия трибоактивных присадок в составе смазочного материала, механизма возникновения противоизносных и противозадирных свойств. Показано, что общепринятых теоретических критериев подбора присадок, улучшающих смазочные свойства материалов в широком диапазоне режимов трения, пока нет. Первая глава завершается выводами, формулированием цели и задач исследования.

Глава 2 посвящена выбору материалов для исследования: материалов поверхностей трения, базовых жидких и пластичных СМ (ПСМ), поверхностноактивных веществ (ПАВ), присадок ТСМ.

В 3 главе предложено теоретическое описание, объясняющее особенности смазочного действия присадок мелкодисперсного графита с металлическим покрытием. Ранние эксперименты В.Г. Мельникова и А.А. Калинина и наши опытные данные показали, что в составе ПСМ присадка графита с металлизированной поверхностью демонстрирует лучшие смазочные характеристики по сравнению с двухкомпонентной присадкой с раздельно введенными компонентами графит + металл, где компоненты взяты в тех же количественных соотношениях.

Было выдвинуто предположение, что различие в действии присадкикомпозита и раздельно введенных компонентов состоит в том, что трибоактивные материалы (в данном случае графит и металл) находятся в различном коллоидном состоянии с различными наборами внутренних межфазных поверхностей. Объяснению особенностей смазочного процесса с участием композита, но нашему мнению, может служить оценка различия величины свободной поверхностной энергии дисперсной фазы для двух сравниваемых случаев.

Исходящее из этих посылок количественное модельное описание должно было ответить на следующие вопросы: 1) Как различается величина свободной поверхностной энергии, когда твердосмазочные компоненты а) сочетаются путем покрытия частиц одного компонента пленкой другого и б) существуют в среде в том же массовом соотношении в виде свободнодисперсных фаз? 2) Как это различие изменяется в условиях разрушения, измельчения частиц различного типа (с покрытием и без него) в условиях трения?

При построении модели необходимо учесть тот факт, что в процессе трения частицы, попадающие в контактную зону, деформируются и разрушаются, образуя новую коллоидную систему повышенной дисперсности. В порядке постановки задачи для предполагаемого теоретического расчета примем следующие допущения.

1) Пусть сравниваемые системы для простоты рассмотрения будут монодисперсными, с размером частиц d (рис. 1), а композит имеет покрытие толщиной . Форму частиц в этом приближении удобно представить сферой.

Рис. 1. Сравниваемые модельные дисперсные системы: а — графит с покрытием и б — механическая смесь монодисперсных частиц графита и того же металла, который используется для нанесения покрытия.

2) При введении каждого из трех типов частиц в смазочную дисперсионную среду их поверхности можно охарактеризовать специфической удельной свободной поверхностной энергией: 1 — энергия поверхности графит — СМ; 2 — энергия поверхности металл — СМ; 3 —. энергия поверхности металл – графит.

3) Положим, что частицы не взаимодействуют между собой, и что также отсутствует химическое взаимодействие твердых поверхностей со смазочным материалом.

4) Предположим, что в процессе трения происходит измельчение частиц (как композиционных, так и простых) до некоторого характерного постоянного размера, по порядку величины сопоставимого с толщиной покрытия.