Твердые смазочные материалы

Твердые смазочные материалы (ТСМ) – это материалы, которые обеспечивают смазку между двумя поверхностями в условиях сухого или граничного трения в экстремальных условиях.

Основные типы ТСМ: 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.

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.

Для графиту характерна 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 плюс 600 ^о С. 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 и сильной поляризацией атомов серы в процессе трения. В отличие от графита при увеличении нагрузки и температуры коэффициент трения дисульфида молибдена 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 он окисляется с выделением диоксида серы (SO₂). Дисульфид молибдена обладает высокой радиационной стойкостью. Его можно использовать как смазочный материал при низких температурах, а также в вакууме.

К недостаткам дисульфида молибдена относится то, что он обладает высокой химической активностью и относительно легко вступает в реакцию с водой и кислородом. Вследствие этого при контакте с воздухом максимально допустимая температура не более 450 °С. Водород способен восстанавливать дисульфид молибдена до металла.

Дисульфид вольфрама (WS₂) по сравнению с дисульфидом молибдена обладает большей термостойкостью (плюс 580 °С), стойкостью к окислению и в 3 раза большей несущей способностью. Химически инертен (кроме фтора и его соединений), коррозионно неагрессивен и нетоксичен. Его применение ограничено высокой стоимостью. Использование дисульфида вольфрама 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 (Si₃N₄) имеет низкий коэффициент трения в парах со стальными деталями и некоторыми металлокерамическими материалами. Обладает хорошими механическими характеристиками, высокой термической и термоокислительной устойчивостью (до 1200 °С). Благодаря сочетанию этих качеств нитрид кремния рассматривают как перспективный материал при изготовлении деталей цилиндропоршневой группы теплонапряженных двигателей.

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

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 (плюс 650 °С) и радиационной стойкостью, стабильны при контакте с воздухом и водой. При температурах до плюс 300 °С коэффициент трения у них выше, чем у графита и дисульфида молибдена, но понижается до 0,03…0,05 с увеличением температуры до плюс 500 °С.

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

В таблице 8.5 приведены средние величины коэффициентов трения для некоторых ТСМ.

Таблица 8.5

Значения коэффициентов трения для ТСМ

Твердый смазочный материал (ТСМ)	Коэффициент трения
Дисульфид молибдена	0,05
Йодистый кадмий	0,06
Хлористый кадмий	0,07
Сернокислый вольфрам	0,08
Сернокислое серебро	0,14
Йодистый свинец	0,28
Графит (приработка во влажном воздухе)	0,10
Хлористый кобальт	0,10
Йодистая ртуть	0,18
Бромистая ртуть	0,06
Йодистое серебро	0,25

К достоинствам твердых смазочных материалов относятся:

- широкий диапазон рабочих температур;

- возможность смазывания негерметичных узлов трения (смазочный материал не выдавливается и не вытекает);

- отсутствие необходимости в непрерывном подводе смазочного материала;

- малый расход смазочных материалов;

- низкие эксплуатационные расходы.

Недостатком ТСМ является более низкий отвод теплоты от поверхностей трения, чем у жидких масел, а также малая долговечность. Пополнение ТСМ часто сопряжено с трудностями конструкционного и эксплуатационного характера. Однако в некоторых узлах, работающих в условиях вакуума, единственным способом смазывания является применение только этих смазочных материалов. Также к недостаткам можно отнести худшую физическую и химическую стабильность, а также большую разницу в величинах коэффициентов трения покоя и движения.

При использовании ТСМ необходимо, чтобы сопряженные поверхности трения имели необходимые антифрикционные свойства (прирабатываемость, отсутствие склонности к задирам и схватыванию).

Твердые смазочные материалы выпускаются в виде порошков, дисперсий, паст, покрытий. Их включают в состав различных продуктов, в т.ч. и жидких смазок в случае невозможности использования химических присадок из-за температурных условий.

Порошки. Чистый дисульфид молибдена производится с различным средним размером частиц. Он хорошо заполировывается в поверхность в течение времени или под воздействием повышенной внешней нагрузки, обладает хорошей адгезией к металлическим поверхностям. Смеси твердых смазочных материалов обычно используются в тормозных колодках, что обеспечивает высокое трение и малый износ.

Дисперсии. Высококонцентрированные дисперсии ТСМ применяются в качестве добавок к маслам, таким как редукторные, трансмиссионные для двухтактных мотоциклов, дизельные. Дисперсии также используются в особых процессах формования металла и в качестве высокотемпературных цепных масел (маслоноситель испаряется, оставляя на поверхности твердый смазочный материал).

Пластичные смазки. ТСМ добавляются к пластичным смазкам в количестве примерно 3%. Их преимущество перед химически реактивными присадками высокого давления заключается в отсутствии необходимости обеспечения температуры реакции. Кроме металлургии такие продукты применяются также в автомобилестроении, например в шаровых шарнирах и шарнирах для передачи постоянной частоты вращения.

Пасты. Количество ТСМ в составе паст значительно выше, чем в пластичных смазках и может достигать 70% в зависимости, как от типа твердого смазочного материала, так и от вязкости масла-носителя. В зависимости от области применения пасты разделяются на три категории:

- резьбовые - обеспечивают коэффициент трения порядка 0,1. Они обеспечивают разборку оборудования после длительного простоя, а также выдерживают ультравысокие температуры. Пасты также обладают совместимостью с высокопрочными сплавами, что используется при производстве турбин;

- сборочные - предотвращают фреттинг-коррозию, позволяют проводить безаварийную разборку при снятии подшипников с вала, обеспечивают очень низкий коэффициент трения и повышенную защиту от коррозии;

- смазочные - обеспечивают долговременное смазывание. При этом по таким параметрам как адгезия, защита от коррозии и температурная стойкость значительно превосходят жидкие смазки.

Антифрикционные покрытия («смазывающая краска») это покрытия (краски), в которых цветовой пигмент заменен на твердый смазочный материал. Покрытия состоят из ТСМ, смол, тип которых зависит от желаемого метода полимеризации или устойчивости к среде, а также растворителя. Кроме этого в состав входят добавки, улучшающие пленкообразование и повышающие коррозионную стойкость.

В зависимости от геометрии покрываемых деталей, антифрикционные покрытия могут быть нанесены различными способами: аэрозоль, трафаретная печать, погружение, центрифугирование или электролитическое осаждение. Смазочные покрытия применяют только при трении без смазочного материала; в жидкостях они отслаиваются. Помимо снижения трения и защиты от износа, они защищают поверхность от коррозии. Толщина пленки должна быть равна 5…15 мкм, более толстый слой подвержен растрескиванию и скалыванию.

Ряд твердых смазочных полимерных пленок (в виде суспензий) разработан во ВНИИНП. Их наносят распылением или погружением детали в суспензию. Отверждение производят при температуре плюс 120...300°С в течение 2...3 ч.

В агрессивных газах и парах применяют антифрикционные покрытия в виде фторопластовых лаков и суспензий. Наиболее распространенными являются антифрикционные лаки ВАФ-31, ФБФ-74Д, фторопластовая композиция ФК-33 и др. Эти композиции состоят из порошка фторопласта ЧД или ЧДП и связующего типа БФ. Суспензии и лаки наносят кистью, распылителем или погружением.

Мягкие металлы (свинец, индий, олово, кадмий, медь, серебро, золото и др.) 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. Например, пленка серебра толщиной 100...200 мкм, наносимая на основу гальваническими методами, обладает высокими антифрикционными свойствами и обеспечивает интенсивный отвод теплоты от поверхности трения.

Дата добавления: 2014-12-26