Влияние наноразмерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения сталь-сталь в водных растворах спиртов

Введение. Проблема повышения ресурса узлов трения машин и механизмов требует поиска новых эффективных путей решения. В настоящее время динамично развивается изучение наноразмерных объектов и систем, которые проявляют принципиально новые свойства и обладают огромным потенциалом использования в реальном секторе экономики. Нанодисперсные частицы металлов имеют уникальные свойства, связанные с размерными эффектами. Благодаря этому их применение при решении трибологических задач позволяет получить материалы с принципиально новыми характеристиками [1–3]. Проведенные ранее исследования показали, что формирование квазикристаллической серво-витной пленки в паре трения сталь-сталь в водно-глицериновой среде, содержащей дисперсную фазу из наноразмерных частиц меди, происходит не только за счет трибовосстановительного распада имеющихся медьсодержащих соединений, но и за счет переноса кластеров металла [4–7].

Данная работа продолжает изучение влияния молекулярного строения используемых в составе смазочного материала органических компонентов [8–10]. При этом целью настоящего исследования является изучение трибологической эффективности медьсодержащих растворов многоатомных спиртов в паре трения сталь -сталь.

Экспериментальная часть. Медьсодержащие смазочные композиции (СК) получали в водных растворах многоатомных спиртов в процессе электролиза с медным анодом в ультразвуковом поле (комплексная обработка). Для стабилизации образующихся нанокластеров вводились тетраалкиламмониевые соли типа [ NR 4]⁺ Hal ^–. Подключение электродов к источнику постоянного тока приводило к растворению металлического анода. При этом катионы металла переносились к катоду и восстанавливались на нем. Электрические колебания с рабочей частотой 22 кГц, генерируемые ламповым генератором, преобразовывались магнитострикционными преобразователями излучателей в механические упругие колебания соответствующей частоты, воздействующие на исследуемый электрод. Под действием ультразвуковых колебаний одновременно с электролизом осуществлялось диспергирование восстановленного слоя металла. Характерным свойством полученных коллоидных растворов является ярко выраженная опалесценция: в отраженном свете смазочные композиции имеют темно-коричневый, а в проходящем — сине-зеленый цвет.

Лабораторные испытания трибологических свойств полученных смазочных композиций (СК) проводились на четырехшариковой машине трения (ЧШМ) с использованием шаров из стали ШХ-15 по ГОСТ 9490-75 [11].

С целью выявления влияния атомности спирта на возможность управления самоорганизацией для достижения эффекта безызносности в настоящей работе исследованы триботехнические характеристики — в частности, коэффициент трения пары сталь-сталь в водных растворах многоатомных спиртов. Трибологические свойства пары сталь-сталь исследовали на торцевой машине трения АЕ-5. Узел трения представлял собой стальной диск и расположенные по окружности три образца, изготовленные из стали-45.

Размер частиц меди определялся методом седиментационного анализа с использованием дисковой центрифуги марки CPS Disc Centrifuge Model DC24000 в водных растворах многоатомных спиртов.

Топографические исследования наноразмерных кластерных структур металлов, полученных в результате трибоэлектрохимической обработки в водно-спиртовых средах, проводили с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) Solver P47H в полу контактном режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ). Топографические исследования сервовитной пленки, полученной в результате фрикционного взаимодействия пары трения сталь-сталь в водном

растворе многоатомных спиртов, проводили с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа Compact AFM PHYWE.

Обсуждение и результаты. Как следует из результатов седиментационного анализа водно-органических растворов многоатомных спиртов, в процессе электролиза при ультразвуковом воздействии образуются молекулярные лигандные кластеры меди со средним размером 25 нм (рис. 1).

Рис. 1. Относительное распределение частиц меди ( N ) по размерам ( D ) в водном растворе сорбита

Анализ топографии поверхности стального диска (рис. 2) с использованием атомно-силовой микроскопии позволяет сделать вывод о том, что в растворах полиатомных спиртов наблюдаются процессы кластеризации с образованием гигантских нанокластеров меди.

Amplitude - Scan forward Line fit

Рис. 2. ACM-изображение (а) и 3D-визуализация (б) результатов АСМ, осаждаемых на поверхности стального диска нанокластеров меди

При уменьшении области сканирования с 50 мкм, где обнаруживается достаточно неоднородное покрытие нанокластерами поверхности стального диска, до 780 нм удается выявить следующее. Под действием сил притяжения между нанокластерами меди в результате самоорганизации образуются кластерные структуры, которые покрывают поверхность в виде чешуек со средним диаметром до 100 нм и высотой до 50 нм.

Сравнение противоизносных свойств 50 % водных растворов многоатомных спиртов, содержащих нанокластеры меди (рис. 3), доказывает следующий факт. Полученные смазочные композиции обеспечивают формирование на поверхности трения шаров металлической пленки [12], оказывающей антифрикционное действие. Причем ее триботехнические свойства, характеризуемые величиной пятна износа D и, зависят от времени комплексной обработки водно -органической смеси, необходимого для накопления в растворе критической концентрации нанокластеров меди. Как было ранее показано в [7], с увеличением времени воздействия диаметр пятна износа уменьшается.

Машиностроение и машиноведение

1           2           3          4          5           6

Рис. 3. Сравнение противоизносных свойств ( D и) 50-процентных водных растворов спиртов в зависимости от времени комплексной обработки с медным анодом на ЧШМ: 1 — метанол; 2 — этиленгликоль; 3 — глицерин; 4 — эритрит; 5 — арабит; б — сорбит.

Справа указано время электролиза

Изучение длительной эволюции коэффициента трения пары сталь-сталь (рис. 4), показывает, что в растворе этиленгликоля не достигается реализация избирательного переноса. На это указывает ход кривых изменения коэффициента трения: коэффициент трения незначительно падает, оставаясь на уровне 0,2–0,25.

М 0,3 -1

О 5000    10000   15000   20000   25000   30000   35000   40000   45000   50000

Время, с

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения (ц) от времени фрикционного взаимодействия пары трения сталь-сталь ( V = 0,26 м/с.Р = 7,5 МПа) на торцевой машине трения АЕ-5 в водных растворах: 1 — этиленгликоля; 2 — глицерина;

3 — эритрита; 4 — арабита; 5 — сорбита

При переходе к смазочным средам, содержащим в своем составе трех- и шестиатомные спирты, отмечаются принципиальные отличия в характере фрикционного взаимодействия. Это проявляется в наличии явно выраженного переходного процесса от граничного трения к безызносному [13]:

• —    в трибосистеме «сталь — глицерин — сталь» после 4,8x10⁴ секунд наблюдается уменьшение коэффициента трения до 0,006;

• —    в системе «сталь — эритрит — сталь» переход к безызносному трению начинается через 4,3x10⁴ с;

• —    в системе «сталь — арабит — сталь» —через 3,2x10⁴ с;

• —    в системе «сталь — сорбит — сталь» —через 3x10⁴ с.

Переход от двухатомных к шестиатомным спиртам приводит к сокращению времени выхода систем в режим безызносности, о чем свидетельствуют величины коэффициентов трения. Таким образом, проведенный эксперимент явно свидетельствует о влиянии строения многоатомных спиртов на триботехнические характеристики — в частности, на коэффициент трения: увеличение количества гидроксильных групп при одновременном увеличении количества атомов углерода в многоатомном спирте приводит к снижению коэффициента трения.

Вместе с падением коэффициента трения в системах, содержащих трех- и шестиатомные спирты, наблюдается изменение характера износа: интенсивность изнашивания остается на уровне 10 .

При этом в процессе фрикционного взаимодействия в паре трения сталь-сталь в водно-органических растворах многоатомных спиртов после их комплексной обработки с медным анодом образуется сервовитная пленка. В ре- зультате длительных сдвиговых напряжений она представляет собой высокоразвитую [14, 15] губчатую поверхность с 5).

Amplitude - Scan forward Line fit

)

-                    D

-

Полученные в настоящей работе экспериментальные данные подтверждают результаты исследований о влия-

- расширен перечень объектов, использование которых приводит к реализации избирательного переноса при трении стали по стали в присутствии нанокластеров меди, образующихся при электролизе в водных растворах многоатомных спиртов.

Выводы. На этапе приработки для тяжело нагруженного узла трения наноразмерные частицы меди, содержащиеся в СК, снижают адгезионную составляющую трения, предохраняя сопряженные поверхности от схватывания и приводя к формированию гладкой, блестящей медной поверхности трения. Механическая энергия деформирования поверхностных слоев металла инициирует множество трибохимических процессов, протекающих с участием органических спиртов, входящих в состав СК [16]. Это способствует образованию новых упорядоченных поверхностных нанодис-персных структур.