Железный Л.В., Любинин И.А. Влияние природы загустителя на трибологические характеристики высокотемпературных смазок

Влияние природы загустителя на трибологические характеристики высокотемпературных смазок

Железный Л.В., Любинин И.А. Железный Л.В., к.х.н., Любинин И.А., к.т.н. (УкрНИИНП«МАСМА», г. Киев, Украина) По материалам научно-практической конференции «Трибология – Машиностроению».

На машинах трения при различных температурах и нагрузках изучены противоизносные свойства современных высокотемпературных смазок. Установлены и объяснены различия в трибологических характеристиках смазок в зависимости от природы их загустителя. Максимальные противоизносные свойства выявлены в обычных комплексных и комплексных сверхщелочных салицилатных, сульфонатных и фенолятных кальциевых смазках.

Основное назначение антифрикционных смазок состоит в продлении срока службы машин и механизмов за счет уменьшения трения и износа их движушихся частей и исключения процессов схватывания и заклинивания сопряженных поверхностей трения. Несмотря на множество работ, посвященных исследованию трибологических свойств смазочных материалов, обобщений, касающихся влияния дисперсионной среды и загустителя на смазочную способность различных типов смазок, мало, а приведенные в доступных литературных источниках, часто противоречивы [1,2]. Интенсивные научные поиски в данной области проведены в 60-80-е годы прошлого века. Основными объектами исследований в те годы были литиевые, натриевые, гидратированные и комплексные кальциевые смазки, а также смазки на некоторых органических и неорганических загустителях. Трибологические свойства смазок исследованы, в основном, с целью выбора оптимальной композиции присадок. Смазочная же способность базовых смазок практически не изучена, несмотря на то, что многие смазки общего назначения даже при отсутствии в их составе противоизносных и противозадирных присадок в состоянии обеспечить нормальную роботу узлов трения в определенном диапазоне скоростей и нагрузок.

Многочисленными работами, послужившими основой современных представлений о трении, износе и смазке [3,4], доказана возможность образования граничных смазочных пленок и их влияние на механо-химические превращения поверхности трения. Выявлено, что смазочная способность является сложной функцией состава, структуры и физико-химических свойств смазок и поверхностей трения. Структурированное пространственное строение смазок со специфическими объемно-механическими свойствами, а также присутствие в их составе разнообразных поверхностно-активных веществ дало основание считать, что смазочное действие связано с объемным и адсорбционным, в частности, хемосорбционным действиями.

За прошедшие годы ассортимент антифрикционных смазок значительно расширился и в настоящее время рынок пластичных смазок представлен широким набором высокотемпературных продуктов с пестрым спектром используемых загустителей. В связи с расширением температурного диапазона, увеличением скоростей и нагрузок в эксплуатации оборудования, возрастанием его мощностей, а, следовательно, с ужесточением требований к смазочным материалам, именно высокотемпературные смазки (с температурой каплепадения не ниже 2300С) выходят на ведущие роли и по объемам производства, и по применению. Правильный подбор таких смазок, эффективное и рациональное их применение позволяют существенно снизить энергетические затраты, обуславливая значительную экономию мощности.

C целью установления связи между природой дисперсной фазы и трибологическими характеристиками загущенной ею дисперсионной среды (нефтяного масла), а также выявления наиболее эффективных загустителей, исследована смазочная способность наиболее распространенных высокотемпературных смазок. Испытаны комплексные мыльные смазки, загустителем которых являются сложные по аниону мыла, представляющие собой или адсорбционный, или молекулярный комплекс мыла высшей жирной кислоты и солей низкомолекулярных органических или минеральных кислот, смазки на высокодисперсном модифицированном оксиде кремния (пирогенном силикагеле или аэросиле), органозамещенном глинистом минерале (бентоните), на производных мочевины, а также на основе комплексных сверхщелочных сульфонатов, салицилатов и фенолятов кальция. Все образцы смазок изготовлены по современным энергосберегающим технологиям, позволяющим оптимизировать температурный режим приготовления смазок, уменьшить количество стадий процесса и значительно сократить цикл производства. В качестве дисперсионной среды смазок использовано нефтяное масло, содержащее 72,0 % масс. парафино-нафтеновых углеводородов, 21,6 % легкой и 4,7 % средней ароматики, а также 1,7 % смол. Показатель пенетрации модельных образцов смазок - 265±5 м•10-4 (ГОСТ 5346), температура каплепадения – 230-270 0С (ГОСТ 6793, у смазок на аэросиле и бентоните этот показатель отсутствует), содержание в комплексных мыльных смазках свободных щелочей в перерасчете на NaOH – 0,1?0,2 %. (ГОСТ 6707), щелочное число сверхщелочных смазок ~ 250 мг КОН/г.

Способность нефтяного масла и смазок на его основе уменьшать износ в диапазоне нагрузок 392 – 784 Н оценены на четырехшариковой машине трения при 20 0С по ГОСТ 9490. Диаметры пятна износа (Di) модельных систем при повышенных температурах определены по ASTM D 226 на четырехшариковой машине трения Falex (нагрузка - 392 Н, частота оборотов - 1200 мин-1). При этом необходимо отметить следующее. Известно [5], что структура стали ШХ-15, из которой изготовлены шарики пары трения, изменяется в диапазоне температур 80-250 0С. Это вызывает неоднородное микроцарапание поверхности стальных шариков (скоринг) частичками износа во время трения при повышенных температурах. Микроцарапины могут возникать в зоне сжатия далеко за пределами зоны трения и не должны учитываться при оценке диаметра пятна износа. В противном случае это может стать причиной существенных погрешностей в экспериментальных данных.

Противоизносное действие смазок на ЧШМ обеспечивается, в основном, за счет образования на поверхности металла граничной смазочной пленки (~1 мкм) со множеством молекулярных слоев, анизотропией механических свойств, высоким сопротивлением к большим нормальным нагрузкам и низким - к действию касательных напряжений, а также за счет химических превращений на поверхности трения [4]. Износ поверхности трения при 196 Н и 20 0С, как свидетельствуют данные таблицы, незначителен и трение мало зависит от природы, полярности и химической активности составляющих загустителя смазок. Более высокие противоизносные свойства базового масла в этом случае можно объяснить большей скоростью диффузии кислорода к поверхности трения из-за меньшей вязкости масла по сравнению со смазками с последующим образованием активных кислородсодержащих соединений, препятствующих износу.

При увеличении нагрузки в наших экспериментах со 196 до 784 Н особое значение приобретает физико-химическое действие смазок в процессе трения, т. е. кинетика взаимодействия активных компонентов смазки с поверхностью металла и соотношение между скоростью формирования прочной граничной пленки или механо-химически модифицированного поверхностного слоя и их разрушения. Как свидетельствуют данные таблицы, при максимальной нагрузке (784 Н) противоизносное действие всех смазок намного превосходит аналогичный показатель их дисперсионной среды – нефтяного масла. Поскольку в состав смазок входят поверхностно-активные вещества - элементы загустителя и технологические ПАВ (ТПАВ), то именно их полярность, размеры и строение молекул определяют адсорбционную активность, а, в конечном итоге, прочность граничного слоя и способность деформировать поверхностный слой металла.

При нагрузке 392 Н большинство загустителей улучшают противоизносные свойства дисперсионной среды. Минимальным Di , составляющим около 0,50 мм, отличаются полимочевинная или уреатная (Ur-) и комплексная литиевая смазки (кLi-). Однако, для некоторых модельных образцов загущение масла определенными комплексными загустителями не влияет на смазочную способность исходной дисперсионной среды, поскольку структура смазок разрушается при нормальных сдвиговых напряжениях в зоне трения. Комплексный алюминиевый (кAl-), а также неорганические загустители – бентонит (Bn-) и, особенно, аэросил (Si-) увеличивают Di нефтяного масла. Следует отметить, что кAl- смазки изготовлены на практически неполярном дизамещенном алюминиевом мыле стеариновой и бензойной кислот, которое образует сложную разветвленную полимероподобную структуру за счет координационных связей между атомами алюминия одной молекулы и атомами кислорода гидроксильной группы другой молекулы мыла. А, как указывается в [6], снижение полярности молекул мыла уменьшает смазочную способность смазок на нефтяных дисперсионных средах.

Si-смазка, один из объектов нашего исследования, изготовлена на аэросиле, модифицированном диметилдихлорсиланом (ДМДХС). В результате модифицирования активные центры поверхности аэросила выключаются из взаимодействия, ослабляются силы, действующие как между частицами загустителя, так и между загустителем и дисперсионной средой смазки [1]. Кроме того, в процессе трения при высоких контактных нагрузках из-за слабости и неустойчивости сил взаимодействия между частицами аэросила и поверхностью стали разрушение граничного и модифицированного слоев, вероятно, происходит быстрее. Те же закономерности при трении для указанных нагрузок присущи, по-видимому, и Bn-смазке. Она изготовлена на бентоните, модифицированном диметилдиокта-дециламмонийхлоридом, который известен под торговой маркой «Бентон-34». Загуститель имеет сильно развитую микропористую структуру с адсорбированными на поверхности молекулами модификатора, однако при ужесточении режимов трения поверхностной активности десорбированных с частичек минерала ПАВ и присутствующих в смазке ТПАВ оказывается недостаточно для образования на поверхности металла прочного и стойкого граничного слоя смазки.

Для Ur-смазки при возрастании нагрузки наблюдается резкое увеличение Di. Чтобы разобраться в причинах этого явления, необходимо рассмотреть строение полимочевинного загустителя. В зависимости от использованных для его получения аминов (алифатических, циклических или ароматических) и их соотношения, а также температурных условий изготовления смазки, дисперсная фаза в нефтяном масле может преобретать самые разные структурные формы, а сама смазка значительно отличаться как по механической, коллоидной и термостабильности, так и по высокотемпературным свойствам и смазочной способности. В работе [7] указывается, что наличие ариламинов в составе полимочевинного загустителя значительно повышает эксплуатационные характеристики смазки и благоприятно влияет на толщину и несущую способность смазочного слоя. Нами для исследований изготовлен модельный образец Ur-смазки со сбалансированными свойствами, но для этого пришлось пойти на определенное снижение доли ароматического амина в составе загустителя. Прочность граничной смазочной пленки на поверхности стали при трении уменьшилась, что привело к значительному увеличению Di при нагрузке 784 Н.

Наиболее прочные пленки на поверхности стали формируются под влиянием комплексных кальциевых смазок (как обычной кСа-, так и всех трех сверхщелочных кальциевых: сульфонатной (Su-), алкилсалицилатной (As-) и фенолятной (Fn-). Их Di при максимальной нагрузке 784 Н почти в три раза меньше, чем у нефтяного масла. Вероятно, существенную роль в образовании устойчивого граничного слоя играет гидрооксид кальция, присутствующий в кСа-смазке в свободном виде, а также координационно связанный с ее структурным каркасом, образованным сложным кальциевым комплексом из стеариновой и уксусной кислот. Са(ОН)2 в сравнении с другими щелочами менее активен, кроме того, более высокая степень связывания щелочей кСа-смазкой за счет ее повышенной способности образовывать адсорбционные комплексы [1], приводит к минимальным химическим превращениям поверхности трения и сохранению ею исходной прочности. Авторы [8] объясняют формирование кальциевой кSu-смазкой высокопрочного граничного слоя, предотвращающего износ трущихся поверхностей при больших нагрузках, полиморфной модификацией кальцита в карбонатных ядрах мицелл – основной ячейки структурного каркаса этих смазок (рис.1). Наноразмерным лепесткам кальцита сверхщелочного сульфоната, в силу значительной величины отношения площади поверхности к объему, присуща колоссальная поверхностная активность, благодаря чему они определенным образом ориентируются в смазочной пленке, образуя своеобразную обшивку типа рыбьей чешуи, и принимают активное участие в трибохимических превращениях поверхностных слоев. Свою определенную роль в процессе трения играют и составляющие сверхщелочного компонента комплексной сульфонатной смазки, а именно, метаборат кальция, входящий в состав ядра мицеллы, и 12-гидроксистеарат кальция, составляющий совместно с сульфонатом кальция ее адсорбционную оболочку. Молекулы метабората кальция разрыхляют ядра мицелл, усиливая поверхностную активность кальцита за счет увеличения дефектности поверхности его частиц и, с другой стороны, облегчая доступ молекул сульфоната и 12-гидроксистеарата кальция к поверхности металла. Комплексным As- и Fn- смазкам, вероятно, присущ аналогичный механизм смазывающего действия [9].

Список использованой литературы

Ищук Ю.Л. Состав, структура и свойства пластичных смазок. – Киев: Наук. думка, 1996.-512 с.
Кламанн Д.К. Смазки и родственные продукты. - М.:Химия,1988.- 488.
Боуден Ф.П., Тейбор Д.Трение и смазка твердых тел.-М.: Машиностроение, 1968.-543 с.
Костецкий Б.И.Трение, смазка и износ в машинах.-Киев.:Техника, 1970.-396 с.
Блантер М.Е. Теория термической обработки.-М.:Металлургия, 1984.-328 с.
Фукс И.Г. Добавки к пластичным смазкам.-М.:Химия, 1982.-248 с.
Mitsuoka M., Nakajima Y., Miyamoto Y., Iwamatsu H., Okamura S. A Study on Wear Properties and Film Thickness of Urea Greases//NLGI Spokesman.-2003.-Vol. 67, №5.-P. 22– 32.
Makedonsky O., Kobylyansky E., Ishchuk Yu. Structure and Physico-Chemical Properties of Overbased Calcium Sulfonate Complex Greasees//Eurogrease.- 2003.- July-August.- Р.5- 23.
Papeykin O.O., Kobylyansky E.V., Zhelezny L.V., Kravchenko O.R., Ishchuk Yu.L. Resisting Corrosion//Lubes’n’Greases.-2006.-Vol.12.-Issue 11.-P.44-5

Электронная библиотека