Исследование влияния дисперсности слоистых модификаторов трения на противоизносные свойства смазочных материалов

цилиндр», а кроме того – нарушению умеренной скорости изнашивания и прорыву выхлопных газов в картерное пространство, в то время как излишки смазочного масла стремятся просочиться через нарушенное лабиринтное уплотнение в надпоршневую полость рабочего цилиндра. Указанные процессы в немалой степени способствуют улучшению тяговой характеристики двигателя, а также ухудшают экологические параметры выхлопа СДВС.

Существуют различные способы снижения изнашивания трибологического сопряжения «кольцо-цилиндр». В настоящее время совершенствуются методы упрочнения рабочих поверхностей, создания на них прочных и адгезионностойких физических и химических поверхностей, практикуется постановка в зоне трения кольца в ВМТ износостойких вставок, использование материалов для литья деталей ЦПГ с локальным упрочнением по объему. Эти мероприятия, однако, не являются исчерпывающими по эффективности снижения величины изнашивания деталей ЦПГ и могут и должны дополняться триботехническими приемами совершенствования самой смазочной среды движущихся деталей. Эти приемы включают в себя, прежде всего, химическое модифицирование смазочного масла присадками.

При постановке подобной задачи решается ряд принципиальных вопросов совместимости пакетов присадок с базовым составом смазочного масла [2] и конечной стоимости противоизносного продукта, добавляемого в смазочное масло. При обзоре современного рынка противоизносных присадок следует выявить не менее 5 функциональных групп препаратов [1]: реметаллизанты, кондиционеры трения, полимеросодержащие добавки, модификаторы трения первого и второго поколения. Именно две последние группы противоизносных присадок-добавок в объем смазочного масла вызывают повышенный интерес многих исследователей-трибологов.

Первое поколение модификаторов трения широко известно под наименованием слоистых, второе – как минеральные. Различия их составов заключаются в содержании активных веществ – в первом случае это слоистые твердые смазки типа графита и дисульфида молибдена MoS2, во втором – минералосодержащие композиции типа серпентинов. Именно разность составов и сложность оптимального сепарирования твердых минералов в нужный размер для нормального протекания трибологической реакции восстановления микрорельефа рабочей поверхности [3], делает слоистые модификаторы привлекательней в качестве про-тивоизносной добавки в смазочные масла.

Рис. 1. Общая картина износа цилиндровой втулки СДВС в районе верхней мертвой точки

Как известно, эффективность слоистых модификаторов трения типа графита и дисульфида молибдена, а также их производных соединений заключается в особенностях сдвиговых процессов в трибологически активных слоях твердой смазки, разделяющей детали от непосредственного контакта [4]. Сдвиг параллельных рабочей поверхности слоев осуществляется легче, чем сдвиг самих угловых атомов кристаллической решетки твердосмазочного химического соединения. Поэтому противоизносные и антифирикционные свойства базового смазочного материала в сочетании со слоистым модификатором трения значительно улучшаются.

В последнее время к числу общеизвестных твердых сред смазки слоистого типа (графит, дисульфиды, дисилициды молибдена и вольфрама) согласно анализу некоторых литературных источников следует причислить и диселениды молибдена (ДМ), вольфрама и ниобия [5-7]. Эти соединения более, чем в 2 раза превосходят трибологические характеристики традиционного соединения дисульфида молибдена MoS 2 и заслуживают достойного внимания в плане изучения их влияния на трибологический узел в качестве противо-износной добавки к маслу. Известно [5-7], что наиболее простым по технологии создания и дешевым среди диселенидов является диселенид молибдена MoSe 2 . Его отпускная стоимость колеблется в пределах 16-20 тыс. руб. за 1 кг массы, в то время как у вышеназванных аналогов-диселенидов отпускная цена превышает указанную в два и более раз.

Постановка задачи и возможные проблемы исследования. Авторами статьи была поставлена задача создания готового концентрата противоизносной присадки, содержащей ДМ, и вопросов стабилизации данного соединения в объеме смазочного масла при различной тонкости помола. Последний вопрос особенно актуален ввиду гетерогенной природы содержания ДМ в смазочном масле в качестве добавки и возможности к коагулятивным процессам отдельных его частиц. Известно, что при слишком большой тонкости помола частиц (менее 0,1-2 мкм), последние могут элементарно не вступить в реакцию по заполнению микронеровностей изношенной поверхности трения, и неизбежно будут выпадать в осадок при последующей коагуляции в более крупные конгломераты [8]. В тоже время, частицы размером более 50-100 мкм будет неизбежно отфильтрованы системой очистки смазочного картера или осядут в смазочных каналах коленчатого вала под действием центробежной силы. Указанные проблемы актуальны для модификаторов трения обоих поколений, в особенности, для слоистых.

Первостепенной задачей исследования являлось создание противоизносной присадки на основе слоистых модификаторов трения типа диселенида молибдена MoSe 2 , удовлетворяющей условиям смазки разбрызгиванием для ЦПГ и в то же время способной к непрерывной транспортировке к рабочим поверхностям трибологически значимого узла без потерь на фильтрацию в очистных сооружениях системы смазки СДВС. Специфическими задачами исследования в связи с этим представляются исследование пределов и диапазонов тонкости измельчения твердых частиц MoSe 2 в процессе приготовления присадки, а также модельное исследование противоизносных свойств полученной смазочной композиции «смазочное масло + противоизносная присадка типа слоистый модификатор трения».

Проведение исследований. Для решения первой специфической задачи исследования, то есть нахождения предела тонкости измельчения твердых частиц ДМ в объеме стабилизирующего вещества приготовлялись коллоидные растворы противоизносной присадки при различном времени измельчения твердой фазы в объеме стабилизирующего вещества. Твердой фазой являлись частицы ДМ MoSe 2 , стабилизирующей средой, то есть поверхностно-активным веществом, пре-дотвращающим коагулятивные процессы среди частиц твердой фазы различного помола, являлась смесь олеиновой кислоты С 18 Н 34 О 2 и стеариновой кислоты С 18 Н 36 О 2 . Таким образом, при измельчении твердой фазы в объеме ПАВ добивались задачи получения присадки в жидком агрегатном состоянии с содержанием гетерогенной фазы различной дисперсности.

Пропорции содержания вышеуказанных веществ в объеме присадки в массовом соотношении были равны для MoSe 2 , С 18 Н 34 О 2 и С 18 Н 36 О 2 соответственно 10%, 30% и 60%. Эта пропорция соответствовала заявленной в патенте на изобретение [9] и выдерживалась строго с возможной ошибкой дозировки ±0,01-0,05 г благодаря использованию точных электронных весов с пределом измерения в 100 г и дискретностью отсчета массы ±0,01 г. Диспергационные (измельчительные) процессы с получаемым первичном раствором трех указанных веществ проводились на роторнопульсационной установке РПУ 0,8-55А-2,2, имеющей мощность приводного двигателя N=2,2 кВт и скорость вращения смесительного ротора n=2900 об/мин. Схема и общий вид установки РПУ приведены на рис. 2.

Рис. 2. Схема и общий вид роторно-пульсационной установки РПУ-0,8-55А-2,2:

1 – бак смесительный, 2 – трубопровод рециркуляционный; 3 – вентиль рециркуляции; 4 – трубопровод охлаждения напорный; 5 – бачок охладительный; 6 – трубопровод охлаждения сливной; 7 – электродвигатель приводной; 8 – уплотнительная камера охлаждаемая; 9 – емкость приемная для готового концентрата; 10 – вентиль раздаточный готового концентрата; 11 – ротор дис-пергационный в камере смесительной; 12 – трубопровод подающий камеры смесительной (позиции 8 , 9 , 10 на общем виде не показаны), Q p – циркуляция смешиваемого продукта, Q в – циркуляция охлаждающей жидкости

Цикл измельчения твердых частиц MoSe 2 составлял 5 этапов продолжительностью по 30 мин каждый. При этом все этапы были последовательно выстроены в общий цикл продолжительностью 2,5 часов. После выполнения каждого этапа измельчения с РПУ сливалась через отборный кран проба объемом 200±5 см³. Общий объем первоначально заливаемого раствора веществ для приготовления присадки составлял при этом V=2000±10 cм³. В дальнейшем с пробами №1-10 производились следующие действия: пробы №6-10, в отличие от проб №1-5 подвергались 10 часовому процессу обработки ультразвуковым излучением величиной 43кГц (в соответствии с технологией, описанной в [9]). Номера проб здесь указываются в порядке последовательного увеличения 5 этапов измельчения на РПУ: 30, 60, 90, 120 и 150 мин.

Таким образом, при отсутствии и наличии ультразвукового излучения предполагались различные результаты по конечной получаемой величине характерного размера наименьшей частицы твердой фазы в растворе присадки – ДМ MoSe 2 . После указанных мероприятий пробы растворов присадки №1-10 подвергались выдержке в течение 48 часов каждый и затем исследованию характерных размеров частиц твердой фазы и распределению размеров по характерным интервалам. Указанная часть исследований проводилась на анализаторе размеров частиц Horiba 550 LB совместно с использованием 400-кратного электронного микроскопа Quanta Dual Beam.

Далее приготовленные растворы противоиз-носной присадки проб №1-10 смешивались со смазочным маслом МС-20 ГОСТ 21743-76 в соотношении 1,0% по объему последнего. Общий объем получаемой для каждого этапа трибологического исследования смазочной композиции (СК) «смазочное масло + противо-износная присадка» составлял не менее 500±5 см3. Всего в соответствии с этим проводилось 10 этапов трибологического исследования на машине трения СМТ-1 2070. Противоизносные трибологические испытания проводились по неконформной схеме контакта поверхностей «колодка-ролик» в течение 2 часов для каждого этапа с пробами №1-10. Материалами для подвижного и неподвижного образцов указанной модельной пары трения выбирались серые чугуны, использующиеся в судовом дизелестроении: СЧХН и СЧХНМД, указанные материалы имитировали, соответственно рабочую цилиндровую втулку и хромированное поршневое компрессионное кольцо.

Форма и размеры испытательных модельных образцов, использующихся попарно для каждого этапа трибологического противоизносного испытания указаны на рис. 3. Скорость вращения подвижного образца (ролика) составляла V=7,85 с^-1, а давление на контакте его с неподвижным образцом (колодкой) составляло Р=0,5-2,5 МПа. Шаг нагружения образцом винтовым загружателем составлял Р i =0,5 МПа. Указанные параметры имитировали постепенно возрастающие нагрузки на ЦПГ в условиях перехода рабочего процесса СДВС от конца такта сжатия к концу такта сгорания топливно-воздушной смеси в рабочем цилиндре. Как известно, именно в эти периоды работы ЦПГ наблюдается наибольший износ рабочего цилиндра СДВС и уплотняющего кольца, особенно вблизи точки реверсирования хода поршня.

Рис. 3. Общий вид и размеры неподвижного (а) и подвижного (б) образцов для сравнительных трибологических испытаний

Контакт поверхностей трения модельных образцов происходил в закрытой масляной ванне машины трения СМТ-1 при термостатировании испытуемой смазочной композиции на уровне 120⁰С. Таким образом, трибологическое испытание исследуемых проб противоизносной присадки в составе СК занимало 10 этапов (варьирование состава СК) по 5 циклов каждый (варьирование по величине давления Р i на контакте образцов). Отдельно для 5 шагов последовательно возрастающего давления Р на контакте исследовались противоизносные свойства базы сравнения – самого смазочного масла МС-20 ГОСТ 21743-76.

Результаты исследования и их обсуждение. По результатам исследования характерных размеров частиц твердой фазы MoSe2 в противоизносной присадке на электронном анализаторе размеров частиц Horiba LB 550 были выявлены закономерности постепенного снижения наименьшего размера частиц с величины более 5000 нм до менее чем 250 нм при последовательном увеличении времени измельчения раствора присадки на РПУ для проб №1-5 (рис. 4). Однако и эти показатели не являются конечными и наименьший размер твердой частицы присадки можно получить в результате дополнительного измельчения в ультразвуковом поле указанной выше частоты (пробы №6-10, рис. 4). При этом замечено, что увеличение времени измельчения присадки как роторно-пульсационным, так и ультразвуковым способом приводит к существенному изменению распределения характерных размеров твердой фазы присадки и доминированию в составе присадки размеров величин 1000-2000 нм. В табл. 1 приведены количественные данные по соотношению интервалов характерных размеров твердой фазы присадки. В столбцах 2-11 отражены данные по соотношению характерных размеров частиц твердой фазы раствора присадки, эти интервалы приведены в столбце 1. Дополнительно в столбце 12 приведена скорость седиментации единичной твердой фазы v (м/с), рассчитанная по следующей формуле, выведенной авторами из работы [10]:

v = 2∙r2(ρ-ρ0)g/9∙η (1),

где r - характерный размер частицы, м, ρ , ρ 0 - плотности соответственно твердой фазы (MoSe 2 ) и жидкой фазы-стабилизиатора (C 18 H 34 O 2 +C 16 H 34 O 2 ), кг/м³, g - ускорение свободного падения, м/с², η - динамическая вязкость жидкой фазы, Па ∙ с.

Рис. 4. Результаты исследования размеров частиц твердой фазы раствора присадки для лабораторных проб № 1-10

Рассчитанные в столбце 12 табл. 1 данные v относятся к наибольшему размеру частицы MoSe 2 из соответствующего интервала размеров столбца 1. Таким образом, снижение размеров частиц твердой фазы в растворе противоизносной присадки и более равномерное их распределение по интервалам меньших размеров способствует уменьшению скорости выпадения частиц в осадок более, чем в 1000 раз (сравнение частиц с размером более 3000-5000 нм и частиц размером менее 500 нм). Кроме того, в столбце 13 приведены расчетные данные по времени седиментации частиц MoSe 2 характерного интервала размеров (в часах) при выдержке готового раствора присадки в мерном цилиндре высотой 100 мм. При этом предполагается, что данное расстояние частица проходит за время полного выпадения в осадок на дно мерного цилиндра. Из подобных расчетных данных следует, что для проб № 610, обработанных дополнительно ультразвуковым излучением, и состоящих в большей своей массе из частиц твердой фазы размерами от 500 до 2500 нм, допускается достаточно большое (чем для проб №1-5) время выдержки раствора присадки без принудительного перемешивания - до 15-125 часов. Для этих растворов частицы больших размеров выпадут в осадок за значительно меньший период времени выдержки, но в значительно меньшем количестве - до 10% от общего объема раствора.

Результаты исследования по второму вопросу -противоизносным испытаниям смазочных составов с участием рассматриваемой присадки - приведены в табл. 2 и на рис. 5. При анализе результатов трибологических испытаний смазочных композиций с добавкой в базовое масло МС-20 ГОСТ 21743-76 проб растворов присадки №1-10 установлено, что увеличение времени диспергации твердой фазы в растворе стабилизирующей ненасыщенной кислоты, а также последующее ультразвуковое измельчение раствора прямо пропорционально снижению интенсивности изнашивания модельных узлов трения. Это говорит о постепенном измельчении твердых частиц MoSe 2 и возможности более равномерного распределения величин размеров частиц в интервалах малых размеров - до 250 - 2000 нм.

Уменьшение размеров частиц не ниже и не выше указанных пределов дает возможность получить не сепарируемую фильтром очистки, но способную снизить параметры граничного трения твердую фазу раствора присадки. Приближение режима трения на контакте поверхностей к полужидкостному должно минимизировать излишние потери на трение в результате механической работы и снизить в 1,5-2 раза величину интенсивности изнашивания. Это особенно актуально в условиях тяжелой работы и скоростного возвратнопоступательного движения компрессионного кольца о стенку цилиндровой втулки.

Таблица 1. Параметры распределения размеров частиц, % и параметров седиментации твердой фазы раствора присадки

£ g * к g er 8 s a	Распределение размеров частиц, % по интервалам размеров										у s и S A PT H g u О S g u 4	Я s и g
	cti VO о C	CS] cti VO о C	tn cti VO о C	VO о C	tn cti VO о C	\O cti VO о C	cti VO о C	co cti VO о C	o> cti VO о C	о cti VO о C
0-250 нм	0	0	0	0	1,5	0	0	0	2,3	4,2	5,4 ∙ 10-8	510,7
251-500 нм	0	0	0	0	3,2	0	1,2	4,8	8,1	12,5	2,2 ∙ 10-7	127,7
501-1000 нм	0	0	2,9	5,7	12,8	4,5	2,3	8,2	19,6	16,7	8,7 ∙ 10-7	31,92
1001-1500 нм	2,3	4,8	7,8	9,2	14,5	5,9	6,2	15,3	23,2	18,9	2 ∙ 10-6	14,18
1501-2000 нм	5,6	7,9	10,1	14,6	24	9,8	12,2	16,2	12,5	18,2	3,5 ∙ 10-6	7,979
2001-2500 нм	8,6	12,9	18,7	25,3	24,5	14,8	12,8	13,8	7,9	14,5	5,4 ∙ 10-6	5,107
2501-3000 нм	7,9	15,6	14,2	21,2	10	28,2	23	21,4	12,9	5,3	7,8 ∙ 10-6	3,546
3001-5000 нм	32,5	30	25	14	5,7	20,6	25,7	15,8	9,1	6,2	2,2 ∙ 10-5	1,277
свыше 5000 нм	43,1	28,8	21,3	10	3,8	16,2	16,6	4,5	4,4	3,5	8,7 ∙ 10-5	0,319

Таблица 2. Результаты трибологичесих испытаний смазочных композиций «смазочное масло+противоизносная присадка» на машине трения СМТ-1

Давление, МПа	Интенсивность изнашивания I, 10-10
	cti VO о C	O<] cti VO о C	tn cti VO о C	cti VO о C	tn cti VO о C	\O cti VO о C	cti VO о C	co cti VO о C	o> cti VO о C	о cti VO о C	База сравнения (масло МС-20 ГОСТ 21743-76)
0,5	5,2	4,2	3,7	2,9	2,7	2,4	2,2	2	1,9	1,8	5,5
1	6,6	4,8	4,2	3,9	3,6	3,2	2,9	2,7	2,6	2,5	7,1
1,5	8,1	6,7	5,5	4,7	4,3	3,8	3,6	3,4	3,3	3,2	8,8
2	11,6	9,1	7,6	6,5	6,2	5,9	5,8	5,5	5,4	5,3	12,2
2,5	17,2	12,9	11,7	10,8	10,5	10,1	9,9	9,7	9,5	9,4	18,1

Давление на контакте, МПа

Проба 1             Проба 2             Проба 3             Проба 4

Проба 5             Проба 6             Проба 7             Проба 8

Проба 9             Проба 10            База сравнения

Рис. 5. Графическое отображение результатов сравнительных противоизносных трибологических испытаний

Выводы:

• 1.    В результате работы были проанализированы условия трения и возникновения повышенных износов деталей ЦПГ СДВС, а именно поршневого компрессионного кольца и сопряженной с ним цилиндровой втулки. Наиболее высокие величины изнашивания указанных деталей из серого чугуна наблюдаются в

• 2.    Рассмотрены возможности модифицирования смазочного масла, циркулирующего в системе смазки СДВС, а именно за счет введения в смазочную среду модификаторов трения. При этом из двух поколений модификаторов трения авторами отдается предпочтение первому -

• слоистым модификаторам. Анализ ряда современных научных работ показал, что наиболее доступным и в то же время эффективным по трибологическим параметрам может быть твердая слоистая смазка на основе диселенида молибдена MoSe2.

• 3.    Обоснованы границы допустимых размеров частиц твердой фазы в составе модификатора трения - от 100 нм до 5-10 мкм, что диктуется особенностями протекания трибологических процессов с участием твердых слоистых модификаторов трения и недопустимостью сепарации частиц низкой дисперсности фильтрами уловителями системы смазки СДВС.

• 4.    Разработан состав противоизносной присадки на основе соединения двух жирных ненасыщенных кислот олеиновой С 18 Н 34 О 2 и стеариновой С 16 Н 34 О 2 и твердой фазы - диселенида молибдена MoSe 2 , при этом кислоты выступают в роли стабилизатора, предотвращающего слипание частиц твердой фазы в крупные агломераты. Состав закреплен патентной документацией [9].

• 5.    Выполнены работы по роторно-пульсационному диспергированию раствора, приготовленного согласно указанному в [9] составу. выполнялось 5 последовательных периодов диспергации на установке РПУ-0,8-55А-2,2 продолжительностью по 30 мин каждый. В итоге были получены 5 образцов раствора присадки, подвергнутые кроме того ультразвуковой обработке с частотой 43кГц. Таким образом, для последующих трибологических испытаний были подготовлены 10 образцов раствора по [9], различающихся временем измельчения твердой фазы и наличием ультразвуковой обработки.

• 6.    Проведен анализ размеров частиц твердой фазы полученных растворов присадки. Установлено, что увеличение времени диспергации позволяет снизить наибольший размер частицы твердой гетерогенной фазы раствора, а ультразвуковая обработка дополнительно - снизить указанный параметр и обеспечить более равномерное распределение по характерным интервалам размеров. В результате, наилучшие показатели по измельчению (250-1500 нм - характерный наименьший размер частицы MoSe 2 ) и наименьшую склонность к последующей седиментации частиц твердой фазы имеют растворы прошедшие наибольший период диспергации и дополнительно обработанные ультразвуковым излучением.

• 7.    Проведенные сравнительные противоизносные испытания 10 образцов раствора присадки, различающихся

  временем диспергации и наличием ультразвуковой обработки, показали прямую зависимость снижения интенсивности изнашивания поверхностей трущегося модельного узла из серого чугуна от уменьшения размеров частиц и увеличения равномерности распределения их по характерным интервалам. При этом наиболее эффективными по снижению интенсивности изнашивания оказались растворы противоизносной присадки, в которых частицы твердой фазы имели размеры от 250 до 2000 нм и занимали свыше 60% общего объема твердой фазы.

• 8.    Разработанную противоизносную присадку по полученной трибологической эффективности рекомендуется использовать как модификатор узлов трения судовых и наземных двигателей внутреннего сгорания поршневого типа.

районе верхней мертвой точке при изменении направления хода поршня.