Физико-химическая картина процесса трения на примере пары металл-металл

Основные свойства и показатели, получаемые при формировании жидких кристаллов сервовитных плёнок, полученных врезультате применения препарата «Реагент-2000»

1. Аномально низкий коэффициент трения— до0,003;
2. Макротвёрдость поверхности— до690…710 HV. При использовании вкачестве наполнителя УДА (ультрадисперсных алмазов), микротвёрдость соответствует поМоосу 10.
3. Ударная прочность— 50кгнакв.мм.
4. Высокая коррозийная стойкость, обеспечиваемая связывание атомарного водорода— катализатора всех физико-химических ихимических процессов.
5. Высокое электросопротивление, обеспечиваемое наличием вматрице органических соединений (фторопласт— 4, стирол идр.), природных соединений (гидрофобных и «двойников»).
6. Высокая огнеупорность, обеспечиваемая наличием при формировании жидкого кристалла преимущественно природных минералов (гидрофобных и «двойников»), причём, если обеспечиваются повышенные давления итемпературы, тоформируется чисто керамический слой (технология порошковой металлургии). Сформированное покрытие контактируемых поверхностей (в зависимости отформ движения), сучетом переструктурирования подповерхностного слоя, обладает повышенными свойствами:
   • наистирание, вследствие аномально низкого коэффициента трения до0,003
   • обеспечивается стойкость к: температуре (жаростойкость), электрическим воздействиям (электросопротивлению), химическим воздействия (коррозийной стойкости).

    

Применение «Реагент-2000», при эксплуатации машин имеханизмов (при учёте форм движения контактируемых поверхностей) обеспечивает эффект отсутствия износа, при удовлетворении следующих условий:

Мв=Мд+Му,

где:

Мв— масса вводимого взону трения «Реагент-2000»

Мд— масса деструктируемого взоне трения «Реагент-2000»

Му— масса уносимого маслом иззоны трения «Реагент-2000»

 

Физико-химическая картина процесса тренияна примере пары сталь-сталь

Масла

Даже очень хорошо подготовленная поверхность стали сшероховатостью 0,63 (рисунок1) при детальном рассмотрении под микроскопом имеет вид вспаханного поля счередой пиков, кратеров иредких равнин между ними. Чтобы уменьшить износ идобиться более высокой технологической твёрдости металлической поверхности как правило проводится ее химико-термическая обработка (ХТО), обеспечивающая прочность поверхности металла 58…63НRСэ. Однако, притрении диспенсионно-упрочняющие системы (частицы, например, карбида металлов) диффундирует споверхности трения вметалл, снижая прочность в 5—8раз, а следовательно, и ресурс детали.

Рис. 1: Конструктивное биение из-за подшипников второго класса точности диаметром 40мм. При трении металлических поверхностей возникают электромагнитные поля, которые захватывают атомарный водород (продукт деструкции масла) инаправляют его вподложку металла.

Впроцессе движения контактируемых поверхностей относительно друг друга, ихнаиболее выступающие пики (рисунок 2) вступают всоприкосновение иразрушаются, образуя взоне разрушения микропика— микрократер, причём, вследствие ХТО межзёренное пространство становится менее прочным из-за внедрения атомов элементов смалым сечением ядра, что ведёт к70% разрушению межкристаллитно итолько 30% транскристаллитно. Без проведения упрочнения поверхностей скорость разрушения повышается в 3—10 раз.

Рис. 2: Сростом зазоров биение увеличивается пропорционально (в два раза). Атомарный водород накапливается вмежзеренном пространстве, которое для него является емкостью, так как наиболее неплотная структура металла.

Вкаждый последующий момент работы будут соприкасаться иразрушаться другие микропики микрорельефа (причём, вследствие эффекта микроканавок, возбуждается процесс автоколебаний, который раскачивает отдельные пики, вводя ихврезонанс), добавляя вмасло всё новые иновые частицы металла, увеличивая зазоры (рисунок3). Кроме того, масло претерпевает из-за действия температуры имеханоактивации деструкцию, образуя атомарный водород, который, являясь мощным катализатором, устремляется взону повышенных температур— подповерхностный слой, нагреваемый засчёт пластических деформаций, вызываемых сдвиговыми усилиями итем, что поверхностный слой более прочный иимеет лучший теплоотвод.

Рис. 3: Сростом зазора продолжает расти биение тела иконтртела, ведущее кповышению вибрации ишума. Атомарный водород вдислокации соединяется частично сметаллом, образуя гидраты, авполостях ираковинах, образованных при литье, переходит изатомарного вмолекулярное состояние, тоесть в газ.

Засчет термоциклирования (эффект микроканавок возбуждает процесс автоколебаний, что обеспечивает термоциклирование) гамма-фаза (мартенсит) переходит в альфа-фазу (ферит) сплавов наоснове железа иникеля, что обеспечивает сверхтекучесть поверхностного слоя, так как прифазовом переходе выделяется значительное количество атомарного водорода. Вследствие большой скорости охлаждения 10^–4~10^–5 сек поверхностные бугорки подкаливаются приизбытке кислорода, формируя излегированного кислородом сплава кластеры размерами около 10нм (нанометров).

Атомарный водород, вступая вхимические реакции сметаллом иобразуя хрупкие гидраты, заполняет поры микротрещин идислокации подповерхностного слоя (рисунки 2, 3). Соединяясь друг сдругом вмолекулярный водород, оннакапливается влюбых полостях ирасклинивает их, разрушая металл, так как создаваемые усилия превышают предел прочности материала. Таким образом, происходит чешуйчатое отслоение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Засчёт эффекта Ребиндера, образование гидратов (хрупких соединений) происходит инаповерхности металла. Аэто подтверждает, что прочность создаваемых поверхностных слоёв без учёта защиты отатомарного водорода нерешает проблемы повышения износоустойчивости!

Надо помнить, ХТО неравномерно упрочняет металл. Это ведёт ктому, что вмежзёренном пространстве накапливается большее количество мелких атомов, используемых для деформации решётки металла, что приводит кохрупчиванию зерна металла, и, проводимые вдальнейшем мероприятия (низкий отпуск идр.), необеспечивают достаточной гомогенизации или резко повышают цену продукции.

Засчёт увеличения зазора между контактируемыми поверхностями, повышается амплитуда биения, что ускоряет процесс разрушения. Масло имеет вязкость до100сантистокс, поэтому может работать только как охлаждающая жидкость, итолько вслучае эффекта «масляного клина» как смазочный материал, так как даже при средненагруженных узлах смазочный материал должен иметь вязкость неменее 10000 сантистокс (литол, солидол идр.).

Однако использовать эффект «масляного клина» при создании конструкции довольно сложная задача:

• сложность подвода масла взону контакта при требуемом давлении;
• чистота масла;
• сложность узлов уплотнения;
• сложность вобеспечении параллельных каналов отзасорения.

Причём, наданном уровне развития промышленности вообще использовать эффект можно только взакрытых формах движения иневозможно натаких узлах, как зубчатые колёса иподшипники качения идругие.

Поэтому, допоследнего времени, задача увеличения моторесурса решалась путём улучшения свойств материалов контактируемых деталей, специальной обработкой поверхностей иулучшением свойств применяемых масел.

Присадки

Впоследние годы активно применяются многочисленные присадки, как улучшающие свойства масел, так иобеспечивающие выравнивание дефектов микрорельефа трущихся поверхностей (Деста, Аспект модификатор, Универсальный модификатор, СУРМ, Гретерин, РиМет, Fenom, ER, Хадо, FORSAN, Супротек идругие).

Механизм работы присадки кратко рассмотрим напримере рисунка4, где тажепара трения показана втом жеувеличении, что инадругих рисунках, носучетом прогрессирующего износа.

Вводим: антиоксиданты (фиолетовые) для предотвращения старения масла, антизадирные (желтые) изаполняющие (зеленые) элементы.

Рис. 4: При введении вмасло различных антизадирных изаполняющих присадок, впервое время происходит улучшение работы (снижается вибрация ишумы), но из-за продолжения насыщения металла атомарным имолекулярным водородом, создания гидратов металлов вмежзеренном пространстве, происходит разрушение подповерхностного слоя, что приводит кего чешуйчатому или кратерному отслаиванию.

Впроцессе трения крупные кратеры наповерхностях металла заполняются заполняющими элементами. Частично выровненные поверхности наантизадирных элементах, как нашариках, проскальзывают друг подругу (рисунок 5).

Рис. 5: При введении вмасло различных антизадирных изаполняющих присадок, впервое время происходит улучшение работы (снижается вибрация ишумы), но из-за продолжения насыщения металла атомарным имолекулярным водородом, создания гидратов металлов вмежзеренном пространстве, происходит разрушение подповерхностного слоя, что приводит кего чешуйчатому или кратерному отслаиванию.

Основной недостаток данной технологии заключается втом, что вместах трения всё время необходимо наличие присадки вдостаточной концентрации, аобразующийся атомарный водород, результат деструкции масла, как ивслучае работы конструкции без присадки, устремляется вподповерхностный слой металла, разрушая его такимжеобразом, как ибез присадки, носменьшей скоростью.

При этом поддержание значительной концентрации присадок всистеме подачи масла повышает вероятность засорения параллельной ветви масляной системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кроме этого нужно помнить, что присадки: керамика, органика (фторопласт-тефлон), металлоорганика, встандартном варианте невсостоянии обеспечить защиту отатомарного водорода, поскольку несоздают условий дляего связывания безобразования гидридов сметаллами, тоесть непредотвращают водородного охрупчивания подповерхностного слоя металла.

Жидкий монокристалл. Технология «Реагент-2000».

Данная технология заключается виспользовании эффектов изакономерностей, возникающих впаре трения вприсутствии систем, включающих (рисунок6):

• керамику (упрочняющие дисперсные системы, способные компенсировать собственные дисперсионные системы, дифундирующие споверхности вподповерхностные слои металла);
• металлы (легирующие матрицу поверхностного иподповерхностного слоев пары трения);
• модификаторы (снижающие скорость диффузии дисперсионных упрочняющих систем споверхностных слоев вподповерхностные);
• органика (лиганды, обеспечивающие связывание атомарного водорода, выделяющегося приγ => α переходах всплавах на Fe и/или Ni основе);
• металло-органику (стабилизатор процесса предокисления иформирующий легированный кислородом сплав).

Рис. 6: При введении вмасло защитно-восстановительного комплекса «Реагент 2000», мягкие составляющие непозволяют скалывать гребни (выступы) при данном классе частоты иточности, заполняя постепенно неровности поверхностей контактов.

Эффекты шаржирования, сверхтекучести сплавов наоснове Ni иFe, дисперсионная донорная подпитка поверхностного слоя, связывание излишнего атомарного водорода при снижении его парциального давления, что позволяет отсасывать его изобъема металла, идругие эффекты позволяют повышать ресурс узла трения в3~10раз.

Так технология «Know–How» позволяет обеспечивать донорную подпитку поверхностного слоя нетолько системами IV A группы всистемах Nb— Me IV A –C,N,O, нои Nb— Me III A (IIA)— O.

Надо отметить, что теплота образования Me III A группы Me₂O, примерно вдва раза выше теплоты образования Me IV A группы MeC₂.

Так, соответственно, Me₂O₃ для AI=400,5; Sc=458,2; Y=420,1; La=428,9; адля MeC₂ Ti=225,5; Zr=263; Hf=272; Th=294

(для MeCn MeN IV A группы соответственно в5и3раза для Ti, Zn, Hf, адля Th MeC=29,6ккал/моль).

Если условно разделить протекающие процессы наэтапы, томожно представить себе картину следующим образом.

3.1. Засчет высокой энергии образования прочных фаз внедрения металлов II A; III A; IV A групп периодической системы элементов, используемых в защитно-восстановительном покрытии, вдальнейшем

ЗВП— компонент керамики, вместах контакта выполняются как суперфинишные операции обработки поверхностей трения: очистка отнагаров, оксидов, лакообразований, так иподпитка поверхностного слоя непрерывно дифундирующими изнее дисперсионно упрочняющими системами. Компонент органика принимает участие вускорении этого процесса, атак жевосстановлении металлов изоксидов, связывании атомного водорода исинтезе углеводородов из CO и/или CO₂+H. Компонент металл обеспечивает легирование поверхностного иподповерхностного слоев (рисунок7).

Рис. 7: Формируется поверхностная пленка изорганики, металлов иУДА (ультрадисперсных алмазов). Кислотные остатки иУДА создают эффект механо-химической полировки пар трения, создавая эффект шаржирования. Это свойство позволяет при минимальном щадящем режиме очищать пары трения отлаков, нагаров изакоксований, оптимально подгоняя детали относительно друг друга. Образующееся защитно-восстановительное покрытие посвоей структуре повторяет эффект порошковой металлургии.

Протекание этих процессов обеспечивается при эффектах: микроканавок, обеспечивающих сверхтекучесть сплавов наоснове Fe и Ni при парциальном давлении атомарного водорода более 0,02Мпа (например, при ~500циклов циклирования перехода Fe γ≥α); дифундировании дисперсионно упрочняющих систем иззоны трения вподповерхностные слои, аизподповерхностных слоев диффундировании некарбидообразующих (например, Fe, Ni) вповерхностные слои.

Вместах локального контакта вмикрообъемах температуры, например, хромосодержащих сплавов достигает 900°C, что при скоростях охлаждения 10^–4~10^–5 секунды ведет кэффекту легирования кислородом сплавов (ЛКС), формированию кластеров, неявляющихся оксидами, носэнергией ковалентной связи. Высокопрочные ЛКС кластеры «плавают» вматрице вполуклатратной связи (не достаточно прочно связаны сматрицей).

Процесс связывания исинтез атомарного водорода обеспечивает: снижение парциального давления водорода вметалле, защищая его отводородных износа истарения, нетолько вповерхностном слое, ноиповсей толщине конструкции.

Наличие каталитических систем, дисперсноупрочняющих систем илигандных систем обеспечивают так жезасчет

диффузионных процессов изначительных локальных температур, давлений ициклов этих воздействий (глюонные импульсные воздействия— низкотемпературная плазма— электро-магнитно-гравитационное воздействие переходов

квазисистем вдиполи плюс глюоны), переструктурирование несмешиваемых вобычных условиях систем Nb— MeIIIA(IIA)— O.

Рис. 8: Продолжает формироваться поверхностный иподповерхностный слой защитно-восстановительного покрытия. Атомарный водород вступает вреакцию схим. составляющими «Реагент 2000» исоздает прочные связи, уже охрупченных зерен металла. Непрерывно образующийся атомарный водород взоне трения уже невступает вреакцию сметаллом, так как защитно-восстановительное покрытие является диэлектриком инепропускает электромагнитные поля вподложку металла. Коэффициент трения покрытия аномально низкий, так как УДА гидрофильны, а органно-металлическая часть гидрофобна.

Впроцессах шаржирования обеспечивается нетолько массоперенос, обеспечивающий активное перемешивание несмешиваемых вобычных условиях систем, ноипоявление новых дислокаций вподповерхностном слое, повышая электросопротивление (понижая плотность низкотемпературной плазмы), препятствующее движению блуждающих токов, что способствует стоку атомарного водорода изметалла взону повышенной диффузионной активности, т.е. кзоне третьего тела (масла) (рисунок8).

Переходные металлы IV A группы при наличии C, N, O ввышеперечисленных условиях способны сами формировать дисперсионно-упрочняющие системы Nb— Me(IV A)— C, N, O, поддерживая прочность, азначит износостойкость поверхностей пары трения.

Использование антиоксидантов в «Реагент2000» необходимо для восстановления оксидов, акислородосодержащих для формирования ЛКС.

3.2. Засчет вязких ипластических свойств металлов (преимущественно некарбидосодержащих) обеспечивается снижение охрупчивания матрицы поверхностного иподповерхностного слоев. Матрицу можно сравнить сволокнистой системой, формирующейся путем образования дислокаций, туннелей, процессов шаржирования ииных неплотностей (рисунок9). Матрица способна удерживать всвоих неплотностях дисперсионно упрочняющие системы: кластеры различных типов, атак жекатализаторы илиганды.

Рис. 9: Поверхностный иподповерхностный слои сформированы. Образованная матрица изУДА, органики иметаллов обладает тиксотропными свойствами (текущестью) испособна выдавливаться при избыточном наращивании. Этот эффект позволяет создавать покрытие, нормализующее технологические зазоры механизмов. Но, при отсутствии охлаждения маслом или другими смазками данной пары трения, жидко-кристаллическая фракция поверхности кристаллизуется, оптимально уменьшая зазоры контактируемых поверхностей для избежания фрикционного заклинивания.

Катализаторы инициируют цепные химические реакции, направленные надиффузионные исегрегационные процессы вметалле доглубины 0,2мм. Взоне контакта формируются клатраты, система типа дисульфокислоты фталоцианина кобальта, причем лиганды дисульфокислот замещаются на, например, N–оксиметилциануровую кислоту, что наделяет клатрат тиксотропными ииными свойствами (за счет нестабильности обеспечивается протекание окислительно-восстановительних процессов втребуемых направлениях истребуемыми скоростями). Таким образом, обеспечивается управление химическими процессами взоне трения путем введения катализаторов, определенным способом лигандированных.

Матрица— пористая система (волокнит), обладающая эффектом сверхтекучести при термациклировании (Fe сплава

γ ≥ α переходах уже 500циклах) ведет себя, как жидкий монокристалл взоне контакта.

Керамика— дисперсионноуплотняющая система заполняет поры, туннели, дислокации ииные неплотности, предохраняя вязкие системы отистирания, эффектов микросхватывания при малых энерговзаимодействиях. Засчет очень слабого взаимодействия керамики сматрицей, особенно Nb— Me(IIA, IIIA)— O обеспечивается: снижение диффузии споверхности вподповерхностную зону керамики, что снижает расход керамики при трении. Наличие взоне контакта антиоксидантов обеспечивает восстановление оксидов дометаллов, акислородосодержащих— формирование ЛКС.

Растекание жидкого монокристалла изменяет микрогеометрию поверхностей трения доэнергетически более выгодной, образуя при этом пористую пленку матового цвета, легко удерживающую масло, что значительно эффективнее шероховатости отхонингования. Вкачестве керамики используются природные УДА, иглы ифибриллы, лигандированные биологически исостаренные вавтоклавах.

Вышеперечисленные процессы протекают параллельно нетолько взоне контакта. Взоне контакта система активируется, авмасле происходят процессы на гомогенно-гетерагенных катализаторах, находящихся вмасле.

Можно сделать вывод, что вприроде непрерывно протекают следующие реакции:

• ядерные цепные реакции;
• ядерные реакции синтеза;
• химические цепные реакции;
• химические реакции синтеза (открытие академика Семенова Н. Н.).

Сформированный жидкий монокристалл (рисунок9) имеет сложную физико-химическую структуру.

Ассоциация минералов, металлов иорганических веществ биологически игидротермально обработанных обеспечивает необходимые условия нетолько формирования иподдержания поверхностного иподповерхностного жидкокристаллических слоев втечение заданного рецептом времени, ноиобеспечивает формирование саморегулируемой «живой» системы, вкоторой идут непрерывные процессы массопереноса ипреобразования кинетической энергии впотенциальную инаоборот (физические <≥ хемосорбционные <≥ химические процесы).

Кратко:

ДИПОЛЬ+ГЛЮОН КВАЗИЧАСТИЦА+АНТИКВАЗИЧАСТИЦА

Керамика— микрочастицы (@20~60нм), например, MeIIIA группа Me2O3— энергия связи более 400ккал/моль, химически стойки, скользят относительно друг друга, нашаржируя матрицу, заполняя еедислокации, туннели ипустоты, т.к. имеют практически 6степеней свободы ивступая только вслабое взаимодействие сматрицей энергией @3~10ккал/моль.

Керамика вматрице засчет эффекта микроканавок иналичия 6степеней свободы «полирезанирует» (процесс автоколебаний). Данная активация снижает коэффициент трения, ноувеличивает скорость диффузионных процессов.

Для снижения скорости диффузионных процессов матрица модифицируется, например, Моикатализаторами платиновой группы при непрерывном лигандировании.

Управление процессами наращивания обеспечивается путем изменения соотношений керамики, металла иорганики («Know–How») собязательным учетом: формы движения, материалов пары трения, относительной скорости, температуры масла, типа масла, окружающей среды.

Информация ООО "Руслана"