§ 8.1. Твердые слоистые смазки. Мягкие металлы. Полимерные и композиционные материалы

Твердые слоистые смазки (ТСС) — кристаллические вещества, обладающие смазочными свойствами: графит, дисульфиды молибдена и вольфрама, нитрид бора, бромиды олова и кадмия, сульфат се­ребра, иодиды висмута, никеля и кадмия, фталоцианин, селениды и теллуриды вольфрама, титана и пр.

Все ТСС обладают слоистой структурой, характеризующейся тем, что атомы, лежащие в одной плоскости (одном слое), находятся друг к другу ближе, чем в различных слоях. Например, в решетке графита расстояние между атомами углерода в слое равно 1,42 х 10 м^-10, между слоями — 3,44 • 10^-10 м. Это обусловливает различную прочность связей между атомами в различных направ­лениях, в результате чего под воздействием внешних сил происходит скольжение (сдвиг) одних слоев кристаллов относительно других (уменьшению сопротивления сдвига способствует накопление на поверхностях кристаллов адсорбированных продуктов). Это свойство является необходимым, но недостаточным. Нужна также хорошая адгезия ТСС к материалу поверхности трения, поэтому дисульфид титана и многие алюмосиликаты (слюда, тальк и др.), обладая ярко выраженной слоистой структурой, не отличаются смазочными свой­ствами, так как имеют плохие адгезионныг свойства с металлами. На качество и свойства ТСС влияют неоднородности связей между атомами кристаллической решетки, величина работы, затрачиваемой на расщепление кристалла по поверхностям скольжения, степень адгезии к металлическим поверхностям и т.п.

Рассмотрим свойства некоторых наиболее распространенных ТСС.

Графит обладает антифрикционными свойствами в паре трения со сталью, чугуном и хромом (несколько хуже эти свойства с медью и алюминием). В присутствии воздуха и воды графитная смазка улучшает свои показатели. Графиту присуща способность ад­сорбироваться на поверхностях трения с образованием прочной пленки, ориентированной в направлении скольжения. Наличие на поверхности металла пленки оксидов облегчает адсорбцию графита, поэтому использование графита особенно эффективно для металлов, образующих прочную оксидную пленку (хром, титан, в меньшей степени сталь).

Температурный предел работоспособности графитной смазки равен 600 С. Свойственная этому материалу вследствие наличия свободных электронов высокая электротеплопроводность способствует отводу электростатических зарядов и сохранению прочности смазоч­ного слоя. Коэффициент трения графита по стали составляет 0,04 — — 0,08. С увеличением нагрузки и повышением температуры ко­эффициент трения возрастает.

Дисульфид молибдена MоS₂ — синевато-серый порошок с ме­таллическим блеском, обладает хорошими адсорбционными способ­ностями по отношению к большинству черных и цветных металлов. Смазочная способность MоS₂ обусловлена выраженным слоистым строением кристаллов (расстояние между атомами серы, нахо­дящимися в различных слоях кристалла, почти в 4 раза больше, чем внутри слоев) и сильной поляризацией атомов серы в процессе трения. В отличие от графита при увеличении нагрузки и темпера­туры коэффициент трения MоS₂ уменьшается (средняя величина 0,05 — 0,095).

Несущая способность граничной смазочной пленки дисульфида молибдена выше, чем у любых смазочных масел. При температурах выше 500 °С MоS₂ окисляется с выделением SO₂. Дисульфид молибдена обладает высокой радиационной стойкостью — при дозе до 5 10⁷ Гр не отмечено каких-либо изменений в его свойствах. К недостаткам M0S2 относится то, что он обладает высокой химической активностью и относительно легко вступает в реакцию с водой и кислородом. Вследствие этого при контакте M0S2 с воздухом максимально допустимую температуру ограничивают 450 °С. Водород восстанавливает M0S2 до металла.

Дисульфид вольфрама WS₂ по сравнению с MоS₂ обладает боль­шей термостойкостью (580 °С), стойкостью к окислению и в 3 раза большей несущей способностью. Химически инертен (кроме фтора и его соединений), коррозионно неагрессивен, нетоксичен, его применение ограничено высокой стоимостью. Использование WS₂ в качестве добавки к маслам осложнено его высокой плотностью (р - 7,4 • 10³ кг/м³ ), что затрудняет получение однородной смеси с маслом; рекомендуется использовать при температурах свыше 450 °С.

Нитрид кремния имеет низкий коэффициент трения в парах со стальными деталями и некоторыми металлокерамическими ма­териалами. Обладает хорошими механическими характеристиками и высокой термической и термоокислительной устойчивостью (до 1200 °С). Благодаря сочетанию этих качеств нитрид кремния рассматрива­ют как перспективный материал при изготовлении деталей цилиндро-поршневой группы теплонапряженных двигателей.

Нитрид Бора обладает высокой термической и термоокислительной устойчивостью (разлагается при температуре свыше 1000 °С).

Имеются сведения о перспективности использования в качестве твердых слоистых смазок других веществ — селенидов и теллуридов вольфрама и ниобия и т.п.

К твердым слоистым смазкам относятся также фталоцианины.

Фталоцианины (меди C₃₂H₁₆N₆C₁₁, железа C₃₂H₁₆N₈Fe и пр.) — металлосодержащие полициклические органические соединения, обладающие крупными плоскими молекулами со слабыми межмоле­кулярными связями. Характерной особенностью этих веществ явля­ется то, что наряду с физической адсорбцией они образуют хемосорбированные пленки на поверхностях металлов. Фта­лоцианины обладают хорошей термической (650 °С) и радиационной стойкостью, стабильны при контакте с воздухом и водой. При тем­пературах до 300 °С коэффициент трения у них выше, чем у графита и дисульфита молибдена, но понижается до 0,03 — 0,05 с увеличением температуры до 500 °С.

Из фталоцианинов делают защитный слой на юбках поршней перспективных двигателей. Такие поршни повышают механический КПД и обладают повышенной стойкостью к заклиниванию.

Ниже приведены средние величины коэффициентов трения для некоторых ТСС.

На рис. 8.1 приведен график, ха­рактеризующий зависимость коэф­фициента трения / от удельной нагрузки р для дисульфида молибде­на, дисульфида вольфрама и гра­фита.

Износостойкость твердых смазок оценивается по их истираемости. Истираемость определяется временем работы узла трения в заданных ус­ловиях до истирания покрытия из твердой смазки.

Твердые смазки могут быть использованы не только для обеспе­чения работы узлов сухого трения, но и как добавки, существенно повышающие эффективность масел. Большинство твердых смазок нерастворимы в углеводородах, поэтому их вводят в моторное масло в виде коллоидных дисперсий. При этом увеличивается ресурс узлов трения и снижается вероятность задира в условиях масляного голодания.

Примеры использования таких добавок даны в § 6.1.

Совершенствование существующих и создание новых видов твер­дых смазок — важный этап разработки адиабатного (керамического) двигателя.

Повышение теплонапряженности (уровня форсирования) совре­менных ДВС увеличивает качественный и количественный объемы требований, предъявляемых к граничной пленке. Удовлетворение этих требований только путем изменения свойств моторного масла не всегда целесообразно (или возможно) как по техническим, так и по экономическим условиям, поэтому в ряде случаев в дополнение смазки моторными маслами (или без них) при изготовлении двига­теля применяют покрытие поверхностей трения твердыми смазоч­ными материалами. Хорошие смазочные свойства имеют покрытия на основе двусернистого молибдена. Такие покрытия обладают вы­сокой термической и химической стабильностью, сочетаются со всеми видами смазок и топлив, не токсичны и выдерживают нагрузки до 30 МПа. В современном двигателестроении практикуют нанесение покрытий из M0S2 на нагруженные узлы трения механизма газорас­пределения, вкладыши коленчатого вала, втулки клапанов, юбки поршней и пр. При этом достигается увеличение ресурса свыше 30 %. Для поддержания сохранности покрытия рекомендуется в процеп С эксплуатации вводить в масло присадки на основе M0S2.

Примером покрытия такого рода может быть паста, состоящая из дисперсии MоS₂ в органической смоле с растворителем. При нанесении пасты на металлические поверхности она образует прочно скрепленную с основой сухую пленку, обладающую длительным сроком службы в диапазоне температур 20 — 380 °С при высоких ме­ханических нагрузках.

Толщина пленки должна быть равна 5 — 15 мкм, более толстый слой подвержен растрескиванию и скалыванию.

Мягкие металлы (свинец, индий, олово, кадмий, медь, серебро, золото и др.) обладают низкой прочностью на срез и благодаря этому могут применяться в качестве смазок, наносимых в виде тонких слоев (пленок) на более прочные основы. Поведение пленок этих металлов во многом сходно с маслами. Кроме того, они обладают свойством облегчать и ускорять процесс приработки. Важным требо­ванием, обусловливающим возможность применения для смазок мягких металлов, является высокая адгезия к материалу основы и низкая к материалу контртела. Например, пленка серебра толщиной 100...200 мкм, наносимая на основу гальваническими методами, обла­дает высокими антифрикционными свойствами и обеспечивает интенсивный отвод теплоты от поверхности трения.

Смазывающими свойствами обладают некоторые полимерные ма­териалы — фторопласт-4 (тефлон), капрон, нейлон, полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамид и др. Их наносят на поверхности трения в виде пленок различной толщины или используют как прес­сованные проставки (вкладыши). Применение твердых смазок на основе полимерных материалов ограничивается низкой термической стойкостью этих материалов, а также свойственными им малым коэффициентам теплопроводности и большим коэффициентом тепло­вого расширения (на порядок больше, чем у стали).

Полимерные твердые смазочные материалы обладают недостаточ­ными механическими свойствами, поэтому для обеспечения проч­ности при средних и высоких нагрузках их армируют. Армирование может производиться либо путем введения в структуру полимера арматурных решеток, либо пропиткой полимером пористого ма­териала. Используемый для армирования материал должен быть мяг­че, чем материал поверхности трения. В частности, имеются данные об успешном применении в тяжело нагруженных подшипниках скольжения армированного политетрафторэтилена.

Перспективной областью использования твердых смазок являются композиционные смазочные материалы (КСМ), представляющие со­бой комбинацию отдельных видов твердых смазок, обеспечивающую оптимальное сочетание их смазочных свойств, механической проч­ности и обрабатываемости. Основным преимуществом КСМ является обеспечение хороших антифрикционных и противоизносных свойств в течение длительного времени (в пределе — соответствующего пол­ному ресурсу механизма).

Физически КСМ представляет собой механическую смесь двух или более различных по свойствам твердых веществ, при этом одно из них, являющееся основой, может образовывать структурный кар­кас — матрицу, обусловливающую заданные механические свойства. Матрица может изготавливаться из полимерных, металлических или керамических материалов. В структурном каркасе матрицы зафиксированы материалы, являющиеся наполнителем КСМ. На­полнитель обеспечивает смазочные свойства КСМ.

К достоинствам КСМ с полимерной матрицей (полимерных КСМ) относятся хорошие смазочные свойства, химическая инертность, бо­лее высокая, чем у металлов, усталостная прочность, малая масса, низкая чувствительность к локальным нарушениям структуры (трещинам, надрезам). Наиболее термостойкие КСМ на основе аро­матических полиамидов могут длительно эксплуатироваться при тем­пературе до 450 °С. Основные недостатки — большой коэффициент термического расширения, низкие теплопроводность, термическая стойкость и стабильность.

В полимерных КСМ наиболее часто используют полиамиды с наполнителями — дисульфидом молибдена, графитом, нитридом бора. Хорошие результаты дает использование в качестве наполнителей порошков мягких металлов, алюминия, меди, никеля, молибдена и др.

КСМ на основе металлических материалов получают путем прессования и спекания из порошков металлов (железа, меди и пр.) с последующей пропиткой полученной пористой основы твердыми слоистыми смазками, мягкими металлами или полимерами. Для получения КСМ, работающих в особо тяжелых температурных ус­ловиях, в качестве основы используют никель, кобальт и их сплавы, в качестве наполнителя — материалы на основе молибдена или воль­фрама.

Хорошие характеристики имеют КСМ на основе пористых ма­териалов, изготовленных спеканием пакета спрессованных ме­таллических сеток. Для увеличения антифрикционных свойств сетки можно изготовлять из мягких металлов. Механические свойства таких композиций широко регулируют выбором материала сетки и давления прессования.

Получили распространение (например, для направляющих втулок клапанов ДВС) КСМ на металлической основе, поры которых за­полнены фторопластом-4 с добавками сульфидов, селенидов и теллуридов молибдена, вольфрама, ниобия и других металлов. В таких композициях твердая смазка кроме смазочного действия обес­печивает высокую несущую способность и износостойкость. Соответствующие характеристики приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Рациональный подбор веществ, входящих в КСМ, обеспечивает их достаточно высокую несущую способность при хороших ан­тифрикционных характеристиках и минимальном износе узла трения (рис. 8.2 — 8.4). Рабочая температура таких смазок ограничивается температурой течения материала металлической основы.

Д ля получения керамических матриц КСМ используют окислы бериллия, циркония и других ме­таллов. КСМ на керамической основе обладают высокой термиче­ской и химической стойкостью. Основные недостатки этих ма­териалов — хрупкость и низкая прочность при растяжении.

На основе КСМ разрабатывают узлы трения (вплоть до коренных вкладышей и поршневых колец), не требующие замены в течение всего моторесурса двигателя. При условии достаточно эффективного отвода теплоты узлы трения на основе КСМ могут длительно рабо­тать без дополнительного подвода смазки. Большинство КСМ хорошо работает совместно с жидкими и консистентными смазками, что открывает возможность их использования для подшипников скольжения в конструкциях ДВС. Это обеспечивает существенное повышение надежности двигателя, осо­бенно в режиме масляного голодания. Для вкладышей коренных и шатунных подшипников можно использовать, например, композиции из медно-молибденового (CuO + MоS₂) материала. Для подшипников распределительного вала применяют вкладыши, изготовленные из металлокерамических (или пористых) композиций на основе мягких металлов, насыщенных фталоцианиновой твердой смазкой. Изготов­ляют материал, состоящий из стальной ленты, на которую спеканием нанесен тонкий слой сферических частиц пористой оловянистой бронзы, пропитанных смесью фторопласта со свинцом. Здесь сталь­ная основа обеспечивает необходимую прочность подшипника, бронза — теплопроводность, смесь тефлона со свинцом — смазоч­ные свойства.