Твердая смазка: материалы для снижения трения

Твердая смазка – это технология, позволяющая использовать вещества в твердом состоянии для снижения трения и износа узлов, предотвращения заедания и задиров сопряженных поверхностей.

До начала 20 века в качестве смазочных использовались только жидкие материалы – сначала растительные жиры, потом минеральные масла и силиконовые составы.

Они эффективно снижают трение деталей в нормальных условиях эксплуатации, поэтому и по сей день широко распространены на многих производствах.

Однако с развитием науки, расширением температурного диапазона эксплуатации машин, повышением скоростей движения, строительством устройств для работы в вакууме и в условиях радиации стало понятно, что применения традиционных смазочных материалов недостаточно.

Например, оборудование космической отрасли эксплуатируется в вакууме в широком диапазоне температур, на узлы трения воздействует излучение и другие негативные факторы.

Пластичные и жидкие смазочные материалы в таких условиях смещаются с места нанесения, испаряются, замерзают, разрушаются и перестают защищать детали. Из-за этого контактирующие металлы схватываются, а механизмы заклинивают и выходят из строя.

Большое количество отказов оборудования вследствие неэффективного смазывания подвижных узлов привело к необходимости разработки новых способов снижения трения и износа деталей.

После изучения процессов трения в экстремальных режимах внимание специалистов сосредоточилось на твердых материалах, которые стали применяться в виде порошков.

Твердая смазка: основные компоненты

Твердосмазочные материалы делятся на:

• Вещества слоистой кристаллической структуры – графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама
• Полимеры – политетрафторэтилен
• Мягкие металлы – серебро, золото, свинец

Графит – смазочный материал, который эффективно работает во влажной среде. В его составе присутствуют молекулы воды, за счет чего обеспечивается легкое относительное скольжение. В связи с этим свойства материала ослабляются в вакууме.

Так, графит имеет низкий коэффициент трения во влажной среде (0,04) и повышенный (0,3) в вакууме.

Обратными свойствами обладает дисульфид молибдена, открытие которого стало значительным шагом в области защиты деталей космической техники. Коэффициент трения данного материала в вакууме крайне низкий – до 0,02.

Исследования доказали, что комбинированное использование дисульфида молибдена и графита в строго определенных пропорциях позволяет значительно усилить их эксплуатационные свойства.

Дисульфид вольфрама – еще один материал, который эффективно применяется как в вакууме, так и в условиях воздействия агрессивных сред, при высокой температуре. Он обладает высокой несущей способностью, однако применяется редко. Причина в высокой стоимости относительно других твердых смазок.

Политетрафторэтилен – это полимер, обладающий низким коэффициентом трения (0,02-0,05), устойчивостью к агрессивным средам и широким диапазоном рабочих температур (-100°C …+250°C). Отличительной особенностью тефлона (торговое название политетрафторэтилена) являются высокие антиадгезионные и антипригарные свойства. Он позволяет исключить прилипание веществ к оборудованию, работающему при нагреве, и продлить срок службы деталей.

Мягкие металлы также эффективно снижают износ поверхностей, но имеют высокий коэффициент трения по сравнению с вышеуказанными твердыми веществами (0,15-0,4).

Нанесение твердых смазок

Порошкообразная форма твердых смазок не может обеспечить ресурсного смазывания деталей, так как вещества непрочно удерживаются на поверхности.

Напыление – образование на деталях тонкой пленки – также не обладает высокой стойкостью.

Добавление твердых веществ в состав жидких или пластичных смазок позволяет улучшить эксплуатационные характеристики материалов, однако такие продукты имеют те же недостатки, что и обычные смазки.

Помещение суспензий твердых смазочных веществ в связующие и растворители (создание твердосмазочных покрытий) – это наиболее эффективный способ применения твердых смазок, так как благодаря ему вещества интегрируются в поверхности деталей.

Покрытия на основе твердых смазок

Твердосмазочные покрытия – это материалы, в состав которых входят суспензии порошков твердых смазочных материалов, органические либо неорганические связующие, растворители.

Благодаря такому составу на поверхности обрабатываемых деталей создается тонкий слой, прочно сцепленный с основой.

Для повышения адгезии детали предварительно проходят подготовку. Поверхности элементов придается оптимальная шероховатость, компоненты очищаются и обезжириваются.

Полимеризация таких материалов проходит при нагреве в печи или при комнатной температуре. В процессе отверждения из состава удаляются растворители.

На поверхности формируется матрица связующего вещества, содержащая частицы твердых смазок. Толщина покрытий составляет около 20 микрометров.

В России такие материалы разрабатывает и производит компания «Моденжи».

Преимущества покрытий на основе твердых смазок:

• Низкий коэффициент трения – коэффициент сухого трения достигает 0,03 даже при контактных давлениях, сопоставимых с пределом текучести конструкционных материалов
• Широкий диапазон рабочих температур – в ассортименте есть покрытия, работоспособные в условиях криогенных температур, и материалы, функционирующие при нагреве до +500 °C
• Высокие антикоррозионные свойства – по результатам ускоренных тестов в соляном тумане по стандарту ISO 9227 некоторые образцы продемонстрировали сохранение защитных свойств до 1000 часов
• Стойкость к воздействию химически агрессивных сред – материалы не разрушаются при контакте со щелочами, спиртами, растворителями, маслами, смазочными жидкостями и прочими химическими составами. Покрытия обеспечивают защиту деталей о воздействия агрессивной химии
• Работоспособность в глубоком вакууме – покрытия MODENGY не испаряются и остаются эффективными при использовании в вакууме, в том числе и в узлах трения космических аппаратов. Они не оказывают влияния на создаваемый вакуум и обеспечивают защиту деталей в экстремальных условиях
• Возможность применения в условиях радиации – материалы не теряют своих эксплуатационных характеристик при работе в условиях радиационного излучения, что позволяет использовать детали с покрытиями в системах контроля атомных энергетических станций
• Малая толщина слоя – оптимальная толщина покрытий составляет 15-25 микрометров, благодаря чему не оказывается влияние на размеры деталей
• Сухая текстура, позволяющая применять материалы в условиях запыленности. За счет отсутствия в составе масел и других липких веществ, покрытия не стимулируют налипание абразива и других частиц
• Нетоксичность – отвержденное покрытие не выделяет вредных испарений
• Высокие противозадирные свойства и несущая способность – твердосмазочные покрытия применяются в узлах, контактные давления в которых достигают 3000 Мпа. Они не выдавливаются из места нанесения и эффективно защищают поверхность от задиров
• Антиадгезионные и гидрофобные свойства – покрытия применяются для предотвращения прилипания полимерных материалов к оборудованию, а также в качестве составов, препятствующих обледенению деталей при минусовых температурах (на поверхности элементов не скапливается вода)
• Снятие статического электричества
• Эстетичный внешний вид – в линейке покрытий MODENGY есть материалы от черного глянцевого и серого матового цветов до белого и бесцветного

Твердая смазка: перспективы развития технологии

Одним из направлений совершенствования твердосмазочных материалов является создание обратимо адаптирующихся покрытий.

Это составы, способные изменять свою структуру при переходе из одной температурной зоны в другую.

Необходимость в разработке таких материалов связана с тем, что в современных высокоскоростных машинах используются лепестковые газодинамические подшипники, для обслуживания которых подходит только твердая смазка. Указанные выше твердосмазочные материалы не работают в таком диапазоне температур, как данные установки: -50 °C…+600 °C.

Комбинирование твердых смазок для создания адаптивных покрытий – эффективное решение для снижения износа высоконагруженных деталей установок, работающих в изменяющихся условиях.