Для снижения трения подвижных узлов современных машин используются покрытия, содержащие частицы твердой смазки. Одним из основных направлений их совершенствования является создание обратимо адаптирующихся материалов, способных подстраиваться под изменяющиеся условия работы механизмов.
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.