Изучение влияния ферромагнитных наночастиц на триботехнические характеристики смазок

Введение. В настоящее время создание новых магнитных наноматериалов [1–3] представляет собой активно развивающееся направление современной науки и техники. Изучение свойств магнитных наноматериалов позволяет установить их зависимость от химического состава, типа кристаллической решетки, степени ее дефектности, размера и формы частиц, морфологии, взаимодействия частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характери-

стиками материалов на их основе. Однако контролировать их при синтезе наночастиц удается не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться [4]. Разнообразие физико-химических характеристик магнитных материалов предполагает их широкое применение в науке и технике. В первую очередь следует отметить ферромагнитные наносуспензии или магнитные жидкости [5].

В технических устройствах, в том числе подшипниковых узлах [6] магнитные жидкости используются как герметизирующие материалы для вращающих валов и аппаратов, работающих в условиях агрессивных сред, в демпфирующих устройствах и датчиках угла наклона в радиотехнике [7]. Разработанные технологические среды, смазочно-охлаждающие материалы, теплоносители на основе магнитных жидкостей и углеводородов, кремнийорганических соединений и воды дают положительный результат их применения для механической обработки металлов [8–10]. Появляются новые перспективные способы использования ферромагнитных материалов в качестве добавки к маслам и смазкам. Однако потенциальные возможности применения ферромагнитных наночастиц в технике весьма значительны и недостаточно используются. Этим обусловлена актуальность их исследований. Поэтому представляет интерес конструирование смазочных материалов с добавками ферромагнитных наночастиц, изучение особенностей их взаимодействия с поверхностью трибоконтакта и влияние на триботехнические характеристики смазок.

В связи с этим целью настоящей работы является изучение триботехнических характеристик смазочных композиций на основе «ЦИАТИМ-201» и масла Castrol с добавкой ферромагнитной наносуспензии.

Экспериментальная часть. Для синтеза ферромагнитных наночастиц использовали смесь солей хлорида железа (II) и хлорида железа (III) (степень чистоты — «х. ч.» в соотношении 1 : 2. К ней добавляли 1,5-кратный избыток 25 % водного раствора аммиака (степень чистоты — «ч. д. а»). Полученную суспензию черного цвета выдерживали в течение 30 минут на постоянном магните, затем отделяли образовавшиеся магнитные частицы от водного раствора солей. Полученный осадок промывали дистиллированной водой методом декантации. Операцию повторяли, пока значение pH раствора не достигало 6,5. Чистоту осадка контролировали на наличие ионов хлора проведением качественной реакции с нитратом серебра. Для стабилизации синтезированных ферромагнитных наночастиц использовали х. ч. олеиновую кислоту. Для полного отделения ферромагнитных наночастиц от водного раствора солей в смесь добавляли х. ч. гексан, нагревали на водяной бане. В результате проделанных операций получали пасту-концентрат.

В пластическую смазку «ЦИАТИМ-201» и моторное масло Castrol ( ATF Dex Multivehicle ) вводили 0,1 и 5 % мас. ферромагнитных частиц. Для этого на аналитических весах взвешивали соответственно 0,1; 5,0 г ферромагнитной суспензии, а также 99,9; 95,0 г «ЦИАТИМ-201» и моторного масла соответственно. Ферромагнитные частицы перемешивали в фарфоровой ступке со смазкой «ЦИАТИМ-201» до однородного состояния в течение 30 минут. Смазка должна быть однородной, без комков и выделяющегося масла. Однородность смазочной композиции определяли визуально. Для этого смазку наносили шпателем на предметное стекло тонким слоем и оценивали при проходящем свете ее цвет и однородность. Для приготовления смазочной композиции моторное масло перемешивалось на магнитной мешалке с ферромагнитными наночастицами в течение 30 минут при температуре 40 ºС до однородного состояния.

Машиностроение и машиноведение

Качественный рентгенофазовый анализ (РФА) проводили методом дифрактометрии на автоматизированном приборе ARL X'TRA при излучении Cu К _а линий анода с длиной волны 1,54056 А с Ni -фильтром в отраженном пучке. Экспозицию проводили в интервале 2θ от 5⁰ до 70⁰ при скорости сканирования 5⁰/мин и температуре 25 ⁰С.

Для определения размеров частиц проводили анализ водной суспензии ферромагнитных наночастиц на дисковой центрифуге CPS Disk Centrifuge Model DC 24000 производства фирмы CPS США. Образец водной дисперсии получали обработкой в ультразвуковом поле в течение 30 минут синтезированных ферромагнитных частиц в дистиллированной воде.

Трибологические исследования проводили по ГОСТ 9490-75. В качестве трущихся поверхностей использовали четыре стальных шарика диаметром 10 мм из стали ШХ-15. Верхний шарик закрепляли во вращающемся шпинделе (частота вращения равна 1460 ± 70 мин ^–1), а три нижних неподвижно располагали в обойме машины с испытуемым смазочным материалом. Диаметр пятна износа D И определяли на основе 60-минутных испытаний при постоянной нагрузке 196 Н (20 кгс). Для определения критической нагрузки Р к , индекса задира И з и нагрузки сваривания Р с проводили 10-секундные испытания серии нагрузок [11].

Обсуждение и результаты. Получение смазок включает в себя несколько операций.

• 1.    Предложенный В.-С. Элмором [12, 13] синтез высокодисперсного магнетита Fe 3 О 4 по методу химической конденсации (ХК) по реакции:

• 2.    Пептизация осадка и промывка водой от растворимых солей для предотвращения коагуляции частиц магнетита и обеспечения хорошей адсорбционной способности с молекулами стабилизатора.

• 3.    Стабилизация ферромагнитных частиц. Условием эффективной стабилизации частиц является совместимость феррофазы, стабилизатора и дисперсионной среды [14]. При этом наилучшими стабилизаторами оказываются вещества, хорошо растворяющиеся в дисперсионной среде. Их стабилизирующее действие объясняется понижением поверхностной энергии диспергированных частиц и увеличением абсолютной величины их электрокинетического потенциала, а также структурно-механических и стерических факторов. Выбор стабилизатора зависит от свойств несущей жидкости. Для магнитной жидкости на основе углеводородов в качестве стабилизатора используют поверхностно-активные вещества (ПАВ) — например, олеиновую кислоту или ее соли [15]. В настоящей работе стабилизацию ферромагнитных частиц осуществляли добавлением стабилизирующей смеси из расчета: магнетит (60–65 % мас.) — ПАВ (олеиновая кислота, 10–15 % мас.) — основа (гексан, 15–20 % мас.).

• 4.    Получение пасты-концентрата и на ее основе создание смазочных композиций. Для уточнения состава синтезированных ферромагнитных частиц проводили качественный рентгенофазовый анализ (РФА) (рис. 1). Его результаты свидетельствуют о том, что синтезированные ферромагнитные частицы имеют состав Fe 3 O 4 — магнетит класса обращенных шпинелей с кристаллической решеткой шпинели благородной MgAl 2 O 4 [16] и общей формулой MeFe 2 O 4 .

2 FeCl 3 + FeCl 2 + 8 NH 4 OH = Fe 3 O 4 + 8 NH 4 Cl + 4 H 2 O.

• I ,    отн. ед.

  

  Рис. 1. Рентгенограмма ферромагнитных наночастиц

  
  

  2θ, град.

  
  

Размер ультрадисперсных ферромагнитных частиц определяли методом седиментационного анализа. Его результаты свидетельствуют о том, что 95 % частиц находится в диапазоне от 50 до 100 нм, с максимумом в 64 нм — 25 %. Таким образом, анализируемая дисперсия наночастиц магнетита имеет полидисперсный характер, а первичными кластерами магнетита являются кластеры с размером до 64 нм (рис. 2).

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц магнетита по размерам

Триботехнические свойства сконструированных смазочных материалов (табл. 1) исследовали с использованием четырехшариковой машины трения ЧШМ-1.

Таблица 1

Состав исследуемых смазок

№ смазки	Состав
1	ЦИАТИМ-201
2	ЦИАТИМ-201 + 0,1 % наночастиц магнетита
3	ЦИАТИМ-201 + 5 % наночастиц магнетита
4	Масло Castrol
5	Масло Castrol + 0,1 % наночастиц магнетита
6	Масло Castrol + 5 % наночастиц магнетита

Машиностроение и машиноведение

Противоизносные свойства смазок оценивали по величине диаметра пятна износа D и (рис. 3).

Рис. 3. Диаметр пятна износа для исследуемых смазок

Из гистограммы (рис. 3) следует, что значение D и для смазочной композиции с содержанием магнетита 0,1 % значительно ниже, чем для «ЦИАТИМ-201», однако при увеличении содержания магнетита наблюдается увеличение диаметра пятна износа. Аналогичные результаты обнаружены для масла Castrol с добавкой магнетита (рис. 3). С увеличением содержания магнетита в пластической смазке и масле диаметр пятна износа увеличивается, что связано, по-видимому, с появлением абразивного износа [17]. В соответствии с полученными результатами более эффективной является смазочная композиция с содержанием магнетита 0,1 % как для пластической смазки «ЦИАТИМ-201», так и для масла Castrol .

Для определения качества смазывающего действия смазочных композиций (табл. 1) проводили 10секундные испытания по определению противозадирных свойств смазок (индекс задира И з ), способности смазки предотвращать возникновение задира трущихся поверхностей (критическая нагрузка Р к ) и предельной работоспособности смазки (нагрузка сваривания Р с ).

Значения критической нагрузки, при которой начинается разрушение смазочной пленки, и условия трения и износа при использовании различных смазок представлены на рис. 4. Смазочная композиция с добавлением 1 % частиц магнетита демонстрирует худшие показатели, чем чистая пластическая смазка и состав с 5-процентной добавкой магнетита. При высоком содержании магнетита в масле Castrol значение критической нагрузки возрастает, при малом ее содержании — не изменяется.

Рис. 4. Гистограмма значений критической нагрузки (1) и нагрузки сваривания (2) для исследуемых смазок

Результаты трибологических исследований свидетельствуют о том, что добавка магнетита приводит к увеличению индекса задира (рис. 5) для смазочных композиций как на основе пластической смазки «ЦИАТИМ-201», так и масла Castrol . Однако с ростом содержания магнетита наблюдается тенденция к снижению значений И з . Таким образом, обнаружена область оптимального содержания добавки магнетита, при которой возможно предотвращение возникновения задира трущихся поверхностей. Для смазочных композиций с добавкой магнетита нагрузка сваривания, характеризующая полный разрыв смазки и потерю ее несущей способности, выше, чем для чистых смазок (рис. 4). Однако увеличение содержания магнетита приводит к снижению несущей способности смазочного материала.

Рис. 5. Гистограмма значений индекса задира для исследуемых смазок

Таким образом, содержание магнетита в количестве 0,1 % мас. в составе смазки «ЦИАТИМ-201» и масла Castrol приводит к улучшению триботехнических показателей смазочных композиций. Это может быть связано с образованием частицами магнетита и ПАВ определенной структуры [18], характеризующейся низким сопротивлением сдвигу и уменьшением интенсивности изнашивания поверхностей в местах их соприкосновения [19]. С увеличением же содержания магнетита происходит его коагуляция в процессе трения, что вызывает абразивный износ и снижение триботехнических характеристик изученных смазочных композиций.

Выводы: Методом химической конденсации синтезированы ферромагнитные наночастицы, стабилизированные олеиновой кислотой. Фазовый состав магнетита класса обращенных ферритов-шпинелей FeFe 2 O 4 , средний размер — 64 нм. Обнаружено, что смазочные композиции с добавками магнетита на основе пластической смазки «ЦИАТИМ-201» и масла Castrol с содержанием магнетита 0,1 % мас. обладают высокими противозадирными и противоизносны-ми свойствами. Увеличение содержания магнетита в смазках приводит к снижению их противоизносных свойств.