Радиус основной фракции графита, как в воде, так и масле больше чем радиус частиц дисульфида молибдена. Соответственно и скорости оседания частиц у графита выше, чем скорости оседания частиц у дисульфида молибдена.
Следовательно, коллоидная система масло – дисульфид молибдена более устойчива, чем суспензия масло – графит. Дисульфид молибдена благодаря меньшему радиусу частиц будет лучше адсорбироваться, взаимодействовать с поверхностью.
2.2.2 Определение поверхностного натяжения
Поверхностное натяжение это величина, которую можно представить либо силой, действующей на единицу длины границы раздела фаз и обуславливающей сокращение поверхности жидкости, либо работой, совершаемой при образовании новой поверхности. Связь поверхностного натяжения с адсорбцией доказаны через уравнения состояния, в которых чем ниже поверхностная энергия, тем выше адсорбционное взаимодействие, что положительно влияет при модификации поверхности антифрикционными добавками. Соответственно, чем ниже поверхностное натяжение на границе раздела фаз, тем выше адгезия. При всех плюсах низких значения поверхностного натяжения обнаруживается существенный недостаток, а именно высокие значения растекания смазочного материала, что приводит к большому расходу смазочного материала. Для решения данной проблемы возможно использования дополнительного смазочного материала, барьерной смазки, которая обладает большими значениями поверхностного натяжения и создающая энергетический барьер на пути миграции масла, например на торцах подшипников. Однако нужно следить, чтобы барьерная смазка не попадала в узел трения во избежании заклинивания, образования задиров и повреждения целостности барьера, препятствующего растеканию смазки.
Поверхностное натяжение определяют различными способами, в данной работе используется относительный вариант метода, когда одна из жидкостей (дистиллированная вода), поверхностное натяжение которой при данной температуре точно известно, выбирается в качестве стандартной. Расчет поверхностного натяжения исследуемой жидкости производят по формуле:
,
где σo, ρo, no - поверхностное натяжение, плотность, число капель для дистиллированной воды; σ, ρ, n - соответствующие величины для исследуемого раствора.
Сталагмометр представляет собой либо стеклянную трубку с расширением посередине и капилляром в нижней части; расширенная часть ограничена двумя метками, либо бюретку. По результатам эксперимента строят зависимости поверхностного натяжения от концентрации добавки и температуры[10, 12,15,16,18].
Рис. 5. Кривые зависимости поверхностного натяжения от температуры суспензии графита в масле.
Рис. 6. Кривые зависимости поверхностного натяжения от температуры суспензии дисульфида молибдена в масле.
Исходя из графиков видно, что выполняется зависимость понижения поверхностного натяжения с увеличением температуры, как для графита, так и для дисульфида молибдена. Выполняется зависимость понижения поверхностного натяжения с увеличением концентрации добавки для графита, однако для дисульфида молибдена это закон не выполняется. Это можно объяснить повышением плотности суспензии с увеличением концентрации добавки, это наблюдается у обоих материалов, однако у дисульфида молибдена это более выражено.
2.2.3 Оценка термической стабильности
Термическая стабильность – способность веществ, противостоять изменениям при тепловом воздействии.
В рабочих условиях смазочные материалы подвергаются воздействию кислорода воздуха при повышенных температурах и каталитическом влиянии материала смазываемых частей механизмов. В этих условиях все углеводородные компоненты масла, смолистые вещества, а также антифрикционные добавки, за исключением графита, в той или иной степени могут вступать в реакции окислению, а при отсутствии кислорода деструкции, рекомбинации, полимеризации. Наиболее быстро и глубоко протекают всевозможные процессы на сильно нагретых от 200 до 300 оС деталях поршневой группы двигателей внутреннего сгорания и воздушных компрессоров, при этом за счет трения и неравномерности нагрева температура в отдельных участках поверхностей может доходить до температуры более 300 оС.
Из рассмотренного механизма видно, что на поверхности трения будет образовываться слой графита или дисульфида молибдена, которые будут в первую очередь подвергаться действию высоких температур. При этом по данным [Г,П,П] в высокотемпературных узлах графит будет устойчив при температуже ниже 1100 оС, а дисульфид молибдена начнет окисляться при температуре 350 оС. Поэтому было необходимо хотя бы качественно проанализировать термоокислительную стабильность MоS2.
Термоокислительную стабильность определяют различными методами: в аппарате Папок (ГОСТ 23175-78), метод ВТИ (ГОСТ 981-75). Однако в связи с особенностями системы, где основную тепловую нагрузку принимает антифрикционная добавка решено отказаться от стандартных методов изучение характеристики и применить методику прокаливания присадок.
Анализируемую пробу прокаливают при заданной температуре на железных или медных пластинках (при высоких температурах и количественной оценке в тигле). При качественной оценке смотрят изменения физических свойств веществ с течением времени, при количественном с помощью методов количественного химического анализа определяют количество вещества вступившего в реакцию.
В связи с невозможностью при окислении полного поглощения сернистого газа и образования оксидов дисульфида молибдена в нестехиометрическом соотношении было принято решение отказать от количественной оценки термоокислительно стабильности.
Для качественной оценки мы использовали навески не более 0,1 г дисульфида молибдена равномерно распределенные толщиной до 0,1 мм тиглю. В ходе работы установлено, что 3 из 4 проб в течение часа подвергаются полному окислению при температуре в 350 оС, при этом не полное окисление 4 пробы лишь свидетельствует о неравномерности прогрева в муфельной печи.
2.3 Исследование трибологических свойств систем масло-графит и масло-дисульфид молибдена
Трибологические испытания проводили в два этапа: предварительные, проведенные на двухкоординатной машине трения, и заключительные с моделированием процессов, происходящих в узлах механизмов на многофункционально машине трения SRV.
2.3.1 Испытания смазок на двухкоординатной машине трения
Для предварительных трибологических испытаний была выбрана двухкоординатная машина трения, разработанная и запатентованная ведущими научными сотрудниками Института прикладной механики УрО РАН: Тарасовым В.В., Чуркиным А.В., Черепановым И.С. [22], которая позволяет проводить широкий круг трибологических и коррозионных испытаний на плоских поверхностях материалов.
Сущность работы машины заключается в том, что индентор сферической или иной формы, находящийся под действие нормальной нагрузки перемещают относительно поверхности исследуемого образца по траектории (см. рис. х),
Рис. х. Схема точечного контакта двухкоординатной машины трения
выбираемой из априорной информации (при ее отсутствии предпочтение отдают круговой траектории). В процессе перемещения измеряют компоненты полного вектора, по которому судят о главном векторе тангенциальных сил, который при возвратно-поступательном движении индентора по образцу определяется как отношение возникающей силы трения к силе нагружения, и розетке анизотропии поверхностных физико-механических или фрикционных свойствах. Анизотропия трения – зависимость силы трения от направления взаимного перемещения двух или более тел [24]. При это она чрезвычайно важна в исследовании модификаторов трения, которые преобразуют поверхность к приближенно изотропной.
Рис.х. Анизотропа трения
Испытания проводили в двух режимах: в течение 10 секунд при движении вдоль направления обработки образца с ходом 10 мм и при движении по круговой траектории в течение 50 секунд с радиусом окружности 5 мм.
Испытания проведены при средней нагрузке 400 грамм, комнатной температуре, зафиксированном инденторе. Смазочный материал наносили на исследуемую поверхность объемом от 0,5 до 1,0 мл. Перед проведением каждого эксперимента рабочие образцы очищали спиртом в специальной сверхзвуковой ванне, затем сушили потоком воздуха. Расчеты провели на вычислительной машине модели AMD Atlon™ 64 processor 3000+ 1800 МГц, 1,50 Гб ОЗУ. По результатам расчетов построили анизотропы трения (Рис. в приложении х-х) и графики зависимости коэффициента трения от концентрации добавки.
Рис.9. Кривые зависимости коэффициента трения от концентрации добавки
1 – графит, 2 – дисульфид молибдена
Рис.9. Кривая зависимости минимальных значений коэффициента трения
от условий проведения эксперимента
1 – Сухое трение, 2 – И-20А, 3 - И-20А+2,5% MoS2, 4 - И-20А+5,0% MoS2,
5 - И-20А+7,5% MoS2, 6 - И-20А+10,0% MoS2.
Рис.10. Кривая зависимости максимальных значений коэффициента трения
от условий проведения эксперимента
1 – Сухое трение, 2 – И-20А, 3 - И-20А+2,5% MoS2, 4 - И-20А+5,0% MoS2,
5 - И-20А+7,5% MoS2, 6 - И-20А+10,0% MoS2.
3.2.2 Испытания смазок на многофункциональной машине трения SRV – III Test System
Машина модели SRV предназначена для оценки антифрикционных свойств материалов, гальванических покрытий с возможностью использования многообразных схем испытаний для моделирования различных видов трения.
В связи со способностью дисульфида молибдена и графита выдерживать высокие нагрузки было решено: использовать колебательный модуль, где максимальная нагрузка в 2000 N увеличивается в области точечного контакта в миллионы раз.
Узел трения состоит из неподвижно закрепленного испытательного диска и вращающегося стального шарика диаметром 10 мм, который контактирует с поверхностью диска, при этом происходит точечный контакт (См. Рис. 1).
Рис. 1. Схема точечного контакта
Стальной шарик и образец зафиксирован в определенном положении при помощи специальных держателей: верхнего и нижнего. С помощью верхнего держателя образцу передается заданная нагрузка и осуществляется перемещение шарика при помощи стержня передачи (См. рис. 2).
Рис. 2. Схема верхнего держателя
Нижний держатель, отвечающий за фиксацию изучаемого диска, состоит из двух призм (См. рис. 3) - одна для центральной и другая для ацентрической сборки (См. рис. 4).
Рис. 3. Схема нижнего держателя
Рис. 4. Схемы применяемых моделей работы на машине трения
