Исследование трибологических свойств систем масло-графит и масло-дисульфид молибдена

2.3 Исследование трибологических свойств систем масло-графит и масло-дисульфид молибдена

 

Трибологические испытания проводили в два этапа: предварительные, проведенные на двухкоординатной машине трения, и заключительные с моделированием процессов, происходящих в узлах механизмов на многофункционально машине трения SRV.

 

2.3.1 Испытания смазок на двухкоординатной машине трения

 

Для предварительных трибологических испытаний была выбрана двухкоординатная машина трения, разработанная и запатентованная ведущими научными сотрудниками Института прикладной механики УрО РАН: Тарасовым В.В., Чуркиным А.В., Черепановым И.С. [22], которая позволяет проводить широкий круг трибологических и коррозионных испытаний на плоских поверхностях материалов.

Сущность работы машины заключается в том, что индентор сферической или иной формы, находящийся под действие нормальной нагрузки перемещают относительно поверхности исследуемого образца по траектории (см. рис. х),

 Рис. х. Схема точечного контакта двухкоординатной машины трения

выбираемой из априорной информации (при ее отсутствии предпочтение отдают круговой траектории). В процессе перемещения измеряют компоненты полного вектора, по которому судят о главном векторе тангенциальных сил, который при возвратно-поступательном движении индентора по образцу определяется как отношение возникающей силы трения к силе нагружения, и розетке анизотропии поверхностных физико-механических или фрикционных свойствах. Анизотропия трения – зависимость силы трения от направления взаимного перемещения двух или более тел [24]. При это она чрезвычайно важна в исследовании модификаторов трения, которые преобразуют поверхность к приближенно изотропной.

Рис.х. Анизотропа трения

Испытания проводили в двух режимах: в течение 10 секунд при движении вдоль направления обработки образца с ходом 10 мм и при движении по круговой траектории в течение 50 секунд с радиусом окружности 5 мм.

Испытания проведены при средней нагрузке 400 грамм, комнатной температуре, зафиксированном инденторе. Смазочный материал наносили на исследуемую поверхность объемом от 0,5 до 1,0 мл. Перед проведением каждого эксперимента рабочие образцы очищали спиртом в специальной сверхзвуковой ванне, затем сушили потоком воздуха. Расчеты провели на вычислительной машине модели AMD Atlon™ 64 processor 3000+ 1800 МГц, 1,50 Гб ОЗУ. По результатам расчетов построили анизотропы трения (Рис. в приложении х-х) и графики зависимости коэффициента трения от концентрации добавки.

 

Рис.9. Кривые зависимости коэффициента трения от концентрации добавки

1 – графит, 2 – дисульфид молибдена

Рис.9. Кривая зависимости минимальных значений коэффициента трения

 от условий проведения эксперимента

1 – Сухое трение, 2 – И-20А, 3 - И-20А+2,5% MoS₂, 4 - И-20А+5,0% MoS₂,

5 - И-20А+7,5% MoS₂, 6 - И-20А+10,0% MoS₂.

Рис.10. Кривая зависимости максимальных значений коэффициента трения

от условий проведения эксперимента

1 – Сухое трение, 2 – И-20А, 3 - И-20А+2,5% MoS₂, 4 - И-20А+5,0% MoS₂,

5 - И-20А+7,5% MoS₂, 6 - И-20А+10,0% MoS₂.

3.2.2 Испытания смазок на многофункциональной машине трения SRV – III Test System

Машина модели SRV предназначена для оценки антифрикционных свойств материалов, гальванических покрытий с возможностью использования многообразных схем испытаний для моделирования различных видов трения.

В связи со способностью дисульфида молибдена и графита выдерживать высокие нагрузки было решено: использовать колебательный модуль, где максимальная нагрузка в 2000 N увеличивается в области точечного контакта в миллионы раз.

Узел трения состоит из неподвижно закрепленного испытательного диска и вращающегося стального шарика диаметром 10 мм, который контактирует с поверхностью диска, при этом происходит точечный контакт (См. Рис. 1).

Рис. 1. Схема точечного контакта

Стальной шарик и образец зафиксирован в определенном положении при помощи специальных держателей: верхнего и нижнего. С помощью верхнего держателя образцу передается заданная нагрузка и осуществляется перемещение шарика при помощи стержня передачи (См. рис. 2).

Рис. 2. Схема верхнего держателя

Нижний держатель, отвечающий за фиксацию изучаемого диска, состоит из двух призм (См. рис. 3) - одна для центральной и другая для ацентрической сборки (См. рис. 4).

Рис. 3. Схема нижнего держателя

Рис. 4. Схемы применяемых моделей работы на машине трения

Оценочным показателем являются значения коэффициента трения, данные амплитуды колебаний, выводимые на вычислительную машину. Сигнал, касающийся измеренного коэффициента трения, поступающий с датчика, непрерывно подсчитывался по формуле:

R_TP=F_R/F_n,

где F_R– испытательная сила; F_n – испытательная нагрузка.

Смазочный материал, предварительно перемешав с помощью ультразвуковой ванны, наносили на исследуемую поверхность объемом от 0,3 до 0,6 мл. Перед проведением каждого эксперимента рабочие образцы очищали спиртом в специальной сверхзвуковой ванне, затем сушили потоком воздуха. Окончательные расчеты производили на вычислительной машине модели AMD Atlon™ 64 processor 3000+ 1800 МГц, 1,50 Гб ОЗУ.

Работа происходила в два этапа: выбор рабочих режимов и изучение трибологических приготовленных составов. На первом этапе была задача рассмотреть поведение узла при максимально возможных изменениях нагрузки, частоты колебаний, температуры с учетом возможностей машины трения и пределов работы масла И-20А. Предварительно были составлены три режима работы, в которых изменялся один главный параметр, остальные оставались постоянными, перемещение образцов было против направления обработки:

1)  Изменение нагрузки в интервале от 5 до 200 Н при постоянной амплитуде колебаний 100 мкм, при частоте колебаний 50 Гц, температуре 50 ^оС.

2)  Изменение частоты колебаний от 5 до 500 Гц при постоянной амплитуде колебаний 100 мкм, нагрузке 50 Н, температуре 50 ^оС.

3)  Изменение температуры от 50 до 290 ^оС при постоянной амплитуде колебаний 100 мкм, нагрузке 50 Н, частоте колебаний 50 Гц.

Изменение главного параметра задавалось в компьютерной программе через градиент соответствующей величины и производилось по схеме (рис. Х)

Рис. Х. Схема изменения главного параметра в течение времени.

 

Схема изменения была выбрана так, что максимально приблизить систему приработки на машиностроительных предприятиях, при этом испытания с увеличением нагрузки и температуры это малоизученная область в этом направлении.

При испытании в режиме изменения нагрузки (рис. Х) видно, что время приработки образцов занимает длительное время, а амплитуда колебаний не выдерживается. Так, при пиковых нагрузках амплитуда превышает заданную в программе до 9 раз, что связано с неспособностью чистого масла И-20А противостоять высоким нагрузкам. Однако стабилизация коэффициента трения в завершающих этапах позволила говорить о возможности применения такого режима.

Рис. Х. Диаграмма испытания масла И-20А в режиме изменения нагрузки

При испытании в режиме изменении частоты (рис. Х) при выходе на частоту более 235 Гц происходит снижение амплитуды, где при 500 Гц частота становиться равной 0, что свидетельствует об образования схватывания и неспособности масла И-20А выдержать такие частоты. Поэтому было принято решение снизить верхний предел частоты до 227 Гц с учетом постоянного градиента изменения.

Испытания в режиме изменения температуры планировалось произвести в диапазоне температур от +50 до +290 ^оС, однако фактически удалось достичь не более 190 ^оС (Рис. Х), что связано с особенностями нагревательного модуля машины трения.

Рис. Х. Диаграмма испытания масла И-20А в режиме изменения температуры

Как выяснилось в следующем эксперименте, максимальный температурный градиент составляет 20 градусовв минуту, тогда как при таком диапазоне температур необходимо 40 градусов. При этом в камере наблюдалось значительное испарение масла, что в дальнейшем было бы причиной заедания в узле трения. Поэтому решено понизить верхний порог температуры до 150 ^оС.

В результате оценки физико-химических и трибологических свойств масла И-20А с антифрикционными добавками было принято решение приготовить смазочные составы: И-20А+5% графита, И-20А+7,5% графита,

И-20А+5% графита+10% ПАВ, И-20А+7,5% графита+10% ПАВ, И-20А+5% дисульфида молибдена, И-20А+7,5% дисульфида молибдена, И-20А+5% дисульфида молибдена+10% ПАВ, И-20А+7,5% дисульфида молибдена+10% ПАВ. Смазки без ПАВ готовили при комнатной температуре (с ПАВ при 50 ^оС) с постоянным перемешиванием. После приготовления смазка выдерживалась при комнатной температуре в течение 5 дней и проверялась на наличие расслаивания, в связи с присутствием в ПАВ воды. Каждую смазку испытали в трех режимах, построили диаграммы испытаний.

Чистое индустриальное И-20А оказалось неспособно выдержать высокие нагрузки (Рис. 1 приложения). При этом время приработки составило 10 минут, после чего наблюдался постепенный рост коэффициента трения связанного с выдавливанием масла из узла трения. Лишь после снятия нагрузки стабилизировался коэффициент трения, что говорит о нормальной работе при нагрузках не более 50 Н. При работе в режиме изменения частоты система оказалось более стабильной: амплитуда колебаний не превышала установленные значения более чем на 20%, а время приработки составило 9 минут. При этом нужно отметить, что коэффициент трения на отдельных участках эксперимента был выше, чем при нагрузке. Испытание по температуре масло И-20А не выдержало, эксперимент закончился без стабилизации значений коэффициента трения. В данном случае, решающую роль сыграло испарение масла в течение всего эксперимента, что привело к возрастанию коэффициента трения на всех участках с повышением температуры.

Состав И-20А+5% графит прошел успешно испытания в режимах изменения нагрузки и частоты, при этом участок приработки снизился до 7 и 4 минут соответственно. В режиме изменения частоты коэффициент трения оказался ниже, чем в режиме изменения нагрузки. Однако в режиме изменения частоты при отрезке с частотами от 200 до 227 Гц наблюдался прямопропорциональный рост коэффициента трения, что говорит о достигнутом максимуме по частоте для данной смазки. Испытания по температуре данный состав не прошел, система оказалась очень чувствительна к малейшему повышению температуры сопровождающимся ростом коэффициента трения, как следствие не стабильностью на всех участках работы.

 Состав И-20А+7,5% графит успешно прошел испытания в режиме изменения частоты, с характерными особенностями для состава Состав И-20А+5% графит. Однако стабилизированный коэффициент трения был несколько выше, чем в предыдущем эксперименте. В режиме изменения нагрузки нестабильность наблюдалась на всех этапах эксперимента, хотя небольшая стабилизации наступала в районе пиковых нагрузок и при итоговой нагрузке. Испытания с изменением температуры сохранили картину для Состава И-20А+5% графит, качественного изменения не наступило.

 Для состава И-20А+5%+10% ПАВ в режиме изменения нагрузки качественная картина диаграмм не изменилась, при этом итоговый коэффициент трения снизился в 1,25 раза для обоих случаев. В режиме изменения частоты кривая коэффициента трения получилась более плавная, что свидетельствует о стабилизации величины. Для режима изменения температуры получилась другая качественная картина: коэффициент трения не снижается с увеличением температуры, при этом происходит его снижение при температурах более 140 ^оС. Количественно итоговый коэффициент трения снизился в 1,6 раза.

В режиме испытания изменения нагрузки состав И-20А+7,5%+10% ПАВ показал себя с наилучшей стороны: время приработки составило 9 мин, на остальных участках коэффициент трения плавно изменялся согласно режиму и итоговое значение снижено по отношению к базовому маслу в 1,6 раз. В режиме работы с изменением частоты и с изменением температуры качественная картина не изменилась. Однако коэффициент трения снижен при температурном режиме по отношению к составу И-20А+5%+10% ПАВ в 1,5 раза, в отличие от режима с изменением частоты, где картина не изменилась.

Для разных режимов были построены общие диаграммы изменения коэффициента трения во времени (Рис. х-х)

Рис. Х Общая диаграмма изменения коэффициента трения в режиме изменения нагрузки для графитовых смазок

 Рис. Х Общая диаграмма изменения коэффициента трения в режиме изменения частоты для графитовых смазок

Рис. Х Общая диаграмма изменения коэффициента трения в режиме изменения частоты для графитовых смазок

Антифрикционные добавки на основе графита и дисульфида молибдена представляют собой вещества способные модифицировать поверхность, а именно приближать ее к изотропному состоянию [1,3-7], при котором сила трения не зависит от направления перемещения другой поверхности[24].

В ИПМ Уро РАН мы провели трибологические испытания для оценки свойства этих веществ образовывать защитное покрытие на двух типах поверхностей: анизотропной с помощью двухкоординатной машины трения и условно изотропной, при работе на многофункциональной машине трения модели SRV. Из анализа полученных кривых (См. рис. 5-7) на машине SRV видно, что при нагрузке в 50 Н, с установленным ходом 1 мм, температурой 50^оС, при частотах вращения 5 Гц, 50 Гц коэффициент трения для узла, содержащего смазочный материал с модификатором трения, убывает при увеличении концентрации дисульфида молибдена до 7,5 %, после начинает расти сила трения. Для графита при 5 Гц коэффициент трения значительно снижается при повышении концентрации добавки до 5,0%, однако при дальнейшем увеличении концентрации коэффициент трения резко увеличивается. Такое поведение графита можно связать с твердостью частиц, которая в 1,25-1,5 раза выше, чем у MoS₂ и их размером, которые в 3 раза больше[25]. Для графита при 50 Гц коэффициент трения снижается при повышении концентрации добавки до 10,0%, что можно объяснить лучшей активацией частиц при более активном перемещении стального шарика, следовательно, большей энергией передаваемой частицам.

Антифрикционные добавки не выдержали испытания при частоте 500 Гц, резкие скачки трения связаны с образованием задиров и схватываний, поэтому их использование в таких условиях без дополнительного введения растворимых антифрикционных присадок не возможно.

На двух координатной машине трения мы провели два типа испытаний:

первый был направлен на получение сравнительных характеристик путем проведения испытание смазочных материалов в режиме хода по прямой траектории, второй для оценки разброса коэффициента трения в условиях анизотропии поверхности в режиме хода по круговой траектории. В результате первого эксперимента (См. рис. 9) кривая зависимости коэффи-циента трения от концентрации добавки для дисульфида молибдена аналогична кривым, полученным на машине трения SRV и полученным авторами [3]. Более того эти кривые соответствуют кривой изменения поверхностного натяжения системы, полученной в ходе предвдущей работы [25], что еще раз подтверждает взаимосвязь величин. В ходе второго эксперимента были получены анизотропы трения (см. рис 11-17 в приложении), которые обладают одинаковой формой и одинаковыми направлениями максимумов и минимумов силы трения, что говорит о качестве проделанного эксперимента. Проведя изучение анизотроп, были построены кривые зависимости минимальных и максимальных значений коэффициента трения от условий проведения опыта. кривая минимальных значений соответствует полученным кривым на условно изотропных поверхностях, что дает возможность предположить о движении индентора вдоль направления обработки. Кривая максимальных значений показывает снижение коэффициента трения при увеличении добавки дисульфида молибдена вплоть до 10%, что не соответствует предыдущим полученным данным. Это связано с тем, что нагрузка в этом участке минимальна, поэтому существует возможность для снижения коэффициента трения.

На основании проделанных трибологических испытаний можно утверждать, что оптимальная концентрация исследуемых антифрикционных добавок лежит в диапазоне от 5 до 8%. Установлено, что снижение коэффициента трения происходит в 1,75-2 раза по отношению к маслу

И-20А.

Приложение

Рис. Х. Диаграмма испытания масла И-20А в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания масла И-20А в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания масла И-20А в режиме изменения температуры.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит в режиме изменения температуры.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит в режиме изменения температуры.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит + ПАВ в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит + ПАВ в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 5% графит + ПАВ в режиме изменения температуры.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% MoS₂+ ПАВ в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит + ПАВ в режиме изменения нагрузки.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит + ПАВ в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% графит + ПАВ в режиме изменения температуры.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% MoS₂+ ПАВ в режиме изменения частоты.

Рис. Х. Диаграмма испытания состава И-20А + 7,5% MoS₂+ ПАВ в режиме изменения температуры.

Рис.11. Анизотропа сухого трения индентора и образца

Рис.12. Анизотропа трения индентора и образца с применением в качестве смазки минерального масла И-20А

Рис.13. Анизотропа трения индентора и образца с применением в качестве смазки минерального масла И-20А +2,5% MoS₂

 

 

 

 

 

Рис.14. Анизотропа трения индентора и образца с применением в качестве смазки минерального масла И-20А +5,0% MoS₂

 

Рис.15. Анизотропа трения индентора и образца с применением в качестве смазки минерального масла И-20А +7,5% MoS₂

 

 

 

 

 

 

Рис.17. Анизотропа трения индентора и образца с применением в качестве смазки минерального масла И-20А +10,0% MoS₂