Виды и особенности сухих смазок
Известно, что по своей консистенции смазочные материалы бывают жидкими, пластичными или твердыми. Последние называют также «сухими». Такие смазки предназначены для узлов, работающих в особых условиях: при повышенной запыленности, высоких нагрузках, опасности возникновения задиров и заеданий.
Сухие смазки представлены в форме порошков, воскообразных пленок скольжения, а также покрытий на основе твердых смазочных веществ и связующих компонентов.
В отличии от текучих и пластичных смазочных материалов, сухое покрытие способно работать в гораздо более сложных условиях. Оно создает на поверхностях трения нелипкий защитный слой, предотвращающий их абразивный износ, долгое время сохраняет свою форму и свойства в заданном диапазоне температур и нагрузок.
Область применения сухих смазок очень широка. Они используются в различных областях машиностроения, для обработки электрооборудования, деталей инструментов.
Антифрикционные вещества, входящие в состав этих материалов, встречаются в природе. Самые известные среди них – графит, медь, цинк, олово, фторопласт (ПТФЭ), нитрид бора, оксиды и фториды металлов, полиамид и др.
В основе действия сухих смазок лежит их слоистая структура. При необходимости атомные слои легко движутся параллельно друг другу, однако при этом они почти не поддаются перпендикулярному воздействию, поэтому выдерживают большие нагрузки.
Несмотря на содержание мелкодисперсных твердых частиц коэффициент трения сухих смазок рекордно низок и колеблется в диапазоне от 0,05 до 0,15.
Применять данные материалы можно при температурах от -250 до +1400 °С.
Как появились твердые смазки в России? Первые антифрикционные материалы
Во второй половине прошлого века появилась атомная энергетика, человек обосновался в стратосфере, вышел в околоземное и межпланетное пространство. Вместе с этим появились и новые задачи в области трения, решить которые стандартными методами не удавалось из-за особенно неблагоприятных условий.
Например, трение в космосе происходит в вакууме, при температурах от -150 °C до +180 °C, под действием излучения, пучков ионов и тяжелых частиц. В таких условиях обычные смазки испаряются или замерзают, адсорбированные граничные пленки и оксиды разрушаются, а поверхности металлов при контакте схватываются. Из-за такого схватывания известно множество случаев отказов техники.
Для решения возникших в космосе проблем при Академии наук СССР был создан Совет по трению и смазкам, председателем которого стал конструктор первого лунохода академик А. Ю. Ишлинский. Под его руководством развернулась целая программа по изучению трения в экстремальных условиях.
В первую очередь, исследователи обратили внимание на твердые смазки, которые уже использовались ранее – в частности, графит.
Смазочная способность этого материала была уже доказана и испытана на щетках электрических машин. Однако при создании самолетов, летающих на большой высоте, было обнаружено, что графит теряет свои свойства в разреженной атмосфере и не может работать в вакууме.
Ценной находкой специалистов по космической технике оказался дисульфид молибдена (MoS2), который работоспособен в вакууме. MоS2 демонстрировал низкий коэффициент трения по стали (0,02-0,04), очень высокую несущую способность (до 2800 МПа), радиационную стойкость и теплопроводность.
Свои антифрикционные свойства дисульфид молибдена сохранял при температурах до +800 °C. Все это сделало его одним из главных материалов для узлов трения космической техники.
Антифрикционные свойства были обнаружены и у других тугоплавких металлов – вольфрама, ниобия, титана и пр. Дисульфид вольфрама (WS2) обладает втрое большей несущей способностью, чем дисульфид молибдена Он работоспособен в вакууме при температурах более +1300 °C, чрезвычайно устойчив к воздействию агрессивных сред, имеет коэффициент трения ниже 0,05. Однако из-за того, что стоит этот материал в несколько раз дороже MoS2, он получил меньшее распространение.
Современные сухие покрытия
В начале XXI мировой объем годового выпуска полимерных материалов превысил объем выпуска всех металлов: железный век сменился веком полимеров.
Как твердые смазки в составе современных покрытий стали выступать не только графит и дисульфид молибдена, но и политетрафторэтилен (ПТФЭ).
Это термопластический полимер имеет слоистую, частично кристаллическую структуру (см. рис.). ПТФЭ обладает уникальным набором химических и физических свойств. Он устойчив к воздействию агрессивных сред, является прекрасным изолятором, сохраняет механические свойства при температурах от -100 °C до +250 °C.
Политетрафторэтилен обладает низкой адгезией, поэтому к нему ничего не прилипает, он не смачивается водой и жирами.
Политетрафторэтилен – самый «скользкий» полимер. Чрезвычайно низкий коэффициент трения ПТФЭ (0,02–0,05) обусловлен его слоистой структурой, малой адгезией и небольшим сопротивлением сдвигу.
Из-за того, что ПТФЭ достаточно мягок и может деформироваться при нагрузках, в чистом виде его практически не используют. Чаще всего он выступает в качестве антифрикционной добавки к различным материалам, например, к покрытиям на основе дисульфида молибдена. Каркас из MoS2 обеспечивает прочность и износостойкость поверхностей трения, а полимер – низкое трение.
Высококачественное сухое покрытие имеет полимерную матрицу, в которую введено оптимальное количество твердой смазки.
Размер твердосмазочных частиц измеряется в микро- и даже нанометрах. Чем меньше частицы, тем бОльшую площадь контакта занимает покрытие и тем ниже коэффициент его трения.
Современные антифрикционные твердосмазочные покрытия представляют собой материалы, состоящие из связующей смолы, растворителя, высокодисперсных частиц твердых смазок и функциональных добавок.
Структуру таких на схеме и при увеличении 500х вы можете увидеть ниже.
Благодаря растворителю, который используется в составе покрытий, они равномерно наносятся и распределяются по поверхностям трения. Затем растворитель испаряется, а твердые смазочные частицы удерживаются в матрице связующего вещества в течение всего срока службы покрытия (который, как правило, равен ресурсу обрабатываемой детали).
В России обширную линейку твердосмазочных покрытий выпускает компания "Моденжи". Материалы MODENGY нацелены на решение наиболее острых задач трения и изнашивания в машиностроении.
Связующие вещества и твердые смазки в названных покрытиях могут сочетаться в разных комбинациях, проявляя при этом синергетическое взаимодействие.
В качестве связующих выступают смолы: модифицированная эпоксидная и стирольная, полиамид-имидная, фенолформальдегидная, акриловая, кремнийорганическая, полиуретан, полибутилтитанат.
Самые распространенные твердые смазки – дисульфид молибдена, графит, ПТФЭ, дисульфид вольфрама, нитрид бора, фториды кальция и бария, сульфид цинка.
Покрытия MODENGY прошли все необходимые лабораторные испытания по международным стандартам, принятым в рассматриваемой области. Многие из них успешно применяются при серийном производстве изделий (поршней, элементов ТПА и пр.).
Покрытия MODENGY работают в широком диапазоне температур (от -200 до +560 °С), устойчивы к химически агрессивным средам, работоспособны в вакууме и в условиях радиации.
Износостойкость некоторых материалов линейки достигает 400 тыс. циклов по ASTM D2714, а коэффициент трения – 0,03. Важно, что средняя толщина покрытий MODENGY на деталях составляет 5-20 мкм, что мало влияет на исходную точность их размеров.
Применение технологии твердой смазки позволяет создавать необслуживаемые узлы трения и тем самым полностью отказаться от традиционных – жидких и пластичных – смазочных материалов.
Покрытия наносятся однократно и работают в течение всего срока эксплуатации изделий, обеспечивая им необходимое смазывание и защиту от износа.
Правила нанесения покрытий
Сухие покрытия наносятся стандартными методами окрашивания – путем распыления или погружения (кисть в данном случае менее эффективна, так как не позволяет создавать равномерный слой).
Полный технологический цикл работы с покрытиями включает:
- Оценку качества поверхности детали, нуждающейся в защите покрытием
- Подготовку поверхности химическими и механическими методами
- Нанесение покрытия тем способом, который максимально совместим с конфигурацией и размерами детали
- Контроль качества готового слоя: его адгезии, толщины, полноты полимеризации и стойкости к истиранию
Вновь купленный или какое-то время хранившийся материал следует предварительно перемешать. Так как каждый элемент покрытия имеет свою плотность и структуру, происходит седиментация – процесс, при котором плотные частицы твердых смазочных материалов опускаются под действием сил тяжести. В аэрозольные баллонах газ-вытеснитель толкает состав вниз, при этом твердые смазочные частицы поднимаются по заборной трубке и забивают сопло.
Перемешивание позволяет сделать покрытие однородным и использовать его с наибольшей эффективностью. Смотрите, как делать это правильно в видеоролике ниже.
Заключение
Смазочный материал является неотъемлемым элементом любого узла трения, существенно влияющим на все его эксплуатационные свойства. Условия работы современного оборудования все чаще можно назвать экстремальными, поэтому традиционные консистентные смазки уже не отвечают тем требованиям, которое к ним предъявляют.
Необходимый комплекс триботехнических и защитных свойств поверхностям трения обеспечивают антифрикционные твердосмазочные покрытия.
Сухие покрытия эффективно повышают ресурс и энергоэффективность машины, решают ряд острых проблем, связанных со схватыванием, образованием задиров, скачкообразным движением и коррозией.
