Совершенствование узлов трения современных машин невозможно без использования инновационных смазочных материалов.
Они должны удовлетворять постоянно возрастающим требованиям машиностроителей, в частности:
- Сохранять работоспособность в условиях криогенных и экстремально высоких температур, повышенных скоростей перемещения, высоких контактных давлений
- Обладать устойчивостью к воздействию агрессивных сред, радиации, не разрушаться в глубоком вакууме
- Обеспечивать создание узлов трения, не требующих обслуживания – долговременную смазку
- Повышать энергоэффективность установок
- Не выделять вредных испарений – быть безопасными для человека и окружающей среды
Применение пластичных и жидких смазочных материалов в механизмах современных изделий машиностроения малоэффективно. Именно поэтому в последние несколько лет возрастает интерес к составам, реализующим технологию твердой смазки.
Технология твердой смазки и ее преимущества
Применение твердосмазочных материалов в виде порошков для снижения трения началось в прошлом веке. Тогда, как и сегодня, задействовались вещества слоистой кристаллической текстуры (графит, дисульфид молибдена), полимеры (политетрафторэтилен), мягкие металлы (свинец, золото, серебро). Позже в тех же целях стали использовать дисульфид вольфрама, обеспечивающий коэффициент трения ниже 0,05 и работающий в широком диапазоне температур, и алмазоподобный углерод.
Для обеспечения эффективной ресурсной смазки узлов порошкообразной формы покрытий уже недостаточно. Поэтому были разработаны материалы, которые помимо частиц твердых смазок включают в состав связующие вещества и растворители.
Они формируют на обрабатываемых поверхностях тонкий слой, представляющий собой матрицу связующего вещества, в ячейках которой распределены высокодисперсные частицы твердых смазок. Покрытие прочно сцепляется с основой, демонстрирует высокое сопротивление сжатию и малое сопротивление сдвигу.
Линейку таких материалов выпускает компания «Моденжи». Они состоят из перечисленных выше твердых смазок и органических либо неорганических связующих.
Рис.1. Схема структуры покрытия
Применение твердосмазочных покрытий MODENGY
Антифрикционные твердосмазочные покрытия MODENGY применяются во многих областях промышленности: в сфере газо- и нефтедобычи, на подшипниках подъемно-транспортных машин, в роботостроении, энергетике, арматуростроении, при производстве изделий из полимеров и так далее.
Так, покрытия MODENGY наносятся на узлы трения скольжения запорно-регулирующей арматуры. Данные изделия работают в условиях высоких контактных давлений, малых скоростей перемещения, частых простоев. Рабочие температуры узлов превышают +300 °С.
Рис. 2. Детали запорного клапана с нанесенным покрытием
Твердосмазочные материалы стали эффективной заменой пластичным смазкам. MODENGY 1001 и MODENGY 1004 на основе дисульфида молибдена и графита стабилизировали и уменьшили моменты открытия и закрытия клапанов до 5 раз по сравнению со штатной смазкой. Сравнительные испытания осуществлялись на заводе-производителе запорных клапанов.
Рис. 3. Результаты измерения моментов открытия и закрытия клапана
Примером успешного использования покрытий MODENGY в машиностроении является нанесение материалов на юбки поршней ДВС.
Они снижают износ и предотвращают образование задиров на поверхности деталей в условиях недостатка масла (при пуске двигателя и в случае перегрева), облегчают приработку.
В Институте проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН был проведен ряд исследований покрытий MODENGY в условиях, моделирующих работу цилиндро-поршневой группы двигателей. По результатам испытаний было доказано, что покрытия MODENGY снижают коэффициент трения и повышают величину нагрузки, при которой сила трения превышает предельно допустимую для системы.
Рис. 4. Поршни с твердосмазочными покрытиями MODENGY
В настоящий момент в Южно-Уральском институте проводятся исследования подшипников скольжения двигателей с покрытиями и без.
Благодаря применению твердосмазочных материалов увеличивается время сохранения работоспособности подшипников после аварийного прекращения подачи смазочной жидкости до 5 раз.
Данные исследования проводятся в том числе и с целью внедрения систем «старт-стоп», обеспечивающих экономию горючего, но ужесточающих условия работы узлов.
Адаптивные покрытия: перспективы развития технологии твердой смазки
В последнее время в нашей стране получило широкое распространение производство высокоскоростных энергетических машин с лепестковыми газодинамическими подшипниками. Условия их эксплуатации исключают применение любых смазочных материалов, кроме твердых. Однако и известные на сегодня твердосмазочные покрытия не удовлетворяют возросшим требованиям машиностроителей.
Данные детали функционируют при высоких контактных давлениях, скорость скольжения превышает 15 м/с. Однако главным фактором, вследствие которого исключается применение распространенных твердосмазочных материалов, является широкий диапазон рабочих температур: от -50 °С до +500…600 °С.
Так, дисульфид молибдена, при температуре выше +350 °С окисляется с образованием триоксида молибдена, из-за чего увеличивается коэффициент трения.
Графит требует наличия в составе влаги, которая испаряется при нагреве выше +250 °С.
Оксиды некоторых металлов начинают проявлять смазочные свойства только при температуре более +400 °С.
Для защиты элементов лепестковых газодинамических подшипников от износа необходимо применять комбинацию вышеуказанных компонентов с различными добавками – адаптивные покрытия.
Важным условием является возможность формирования новых структур покрытий на каждом температурном отрезке. При этом после возврата из высокотемпературной области свойства материала должны соответствовать начальным параметрам.
Успехов в производстве таких составов достигла компания «Моденжи». По результатам исследований, проведенных в Московском авиационном институте, образцы покрытий MODENGY (на графике 2 и 3) демонстрируют адаптацию к изменяющейся температуре при сохранении стабильно низкого относительного коэффициента трения.
Рис. 5. Результаты испытаний покрытий в виде зависимости потерь на трение от температуры
(покрытие 1 – базовое покрытие на основе графита, покрытие 2 – первая версия обратимо адаптирующегося покрытия, покрытие 3 – доработанная версия обратимо адаптирующегося покрытия)
Рис. 6. Элементы ЛГП с покрытием MODENGY
Обратно адаптирующиеся (адаптивные) покрытия – это основное направления совершенствования технологии твердой смазки. Они могут менять свою структуру в зависимости от колебаний внешних факторов – температуры, влажности и прочих параметров. Благодаря созданию таких материалов открываются новые возможности проектирования узлов и механизмов.