Твердые смазочные материалы и покрытия для элементов трения

Твердые смазочные материалы применяются, в основном, для тех узлов трения, которые работают в экстремальных условиях:

• в глубоком вакууме (до 10-12 Па)
• при высоком давлении (до 108 Па)
• в условиях крайне низких (близких к "абсолютному нулю" – -273° С) или крайне высоких (до +1200° С) температур
• в радиоактивных средах и при повышенном радиационном фоне, где жидкие смазки быстро разлагаются
• в пыльных условиях, в которых жидкая смазка связывается с пылью и теряет свои смазочные способности
• при крайне высоких нагрузках
• в коррозионно-активной среде, где применение жидкой смазки неэффективно из-за быстро ухудшающейся смазочной способности

По сравнению с другими видами смазочных материалов твердые смазки позволяют проектировать более простое оборудование, так как при их использовании можно отказаться от сложных систем подачи смазки и уплотнений. Твердые смазочные материалы находят предпочтительное применение в тех узлах трения, доступ к которым крайне затруднен.

Твердые смазочные материалы применяются как в твердом, так и в суспензированном виде, например, в виде смазочных паст).

Для снижения отрицательного эффекта от использования твердых смазочных материалов взамен их или в дополнение к ним используются специальные покрытия, наносимые на поверхности элементов трения.

На современном этапе развития существуют следующие твердые смазочные материалы и покрытия для элементов трения:

• в наноструктурном состоянии – С, BN, MoS₂ и WS₂
• в виде нанокомпозиционных покрытий – WC/C, MoS₂ /C, WS₂/C, TiC/C и наноалмаза
• в виде алмазных и алмазоподобных углеродистых покрытий - пленок из алмаза, гидрогенизированного углерода (a-C:H), аморфного углерода (a-С), нитрида углерода (C₃N₄) и нитрида бора (BN)
• в виде твердых и сверхтвердых покрытий из VC, B₄C, Al₂O₃, SiC, Si₃O₄ , TiC, TiN, TiCN, AIN и BN
• в виде чешуйчатых пленок из MoS₂ и графита
• в виде неметаллических пленок из диоксида титана, фтористого кальция, стекла, оксида свинца, оксида цинка и оксида олово
• в виде пленки из мягких металлов – свинца, золото, серебра, индия, меди и цинка
• в виде самосмазывающихся композитов из нанотрубок, полимеров, углерода, графита и металлокерамики
• в виде чешуйчатых пленок из углеродных составов – фторированного графита и фторид графита
• углерод
• полимеры – PTFE, нейлон и полиэтилен
• жиры, мыло, воск (стеариновая кислота)
• керамика и металлокерамика

В твердых смазочных материалах и покрытиях обычно используют дисульфид молибдена (MoS₂), графит, PTFE или мягкие металлы.

Дисульфид молибдена (MoS₂) обладает низким коэффициентом трения в обеих средах: вакууме и атмосфере. Его термостабильность в инертной атмосфере доходит до +1100 °С, но в обычном воздухе применение MoS₂ ограничено температурами +350-400 °С.

Дисульфид молибдена имеет более высокую грузоподъемность, чем такие материалы как графит или PTFE.

Он заменяет графит при работе в вакууме.

Графит имеет низкий коэффициент трения и очень высокую термостабильность (до +2000 °С). Адсорбированные пары жидкостей значительно улучшают смазывающие свойства графита. В сухой окружающей среде, особенно в вакууме, применение графита может быть ограничено.

При температурах ниже -100 °С количество адсорбированного пара в графите снижается, что повышает коэффициент трения. Поэтому необходимо предусмотреть принудительный подвод паров жидкости к графитной смазке.

Практическое применение графита ограничено из-за окисления при температурах +500-600 °С. Добавление неорганических присадок позволяет использовать графит при температурах до +550 °С. В глубоком вакууме графит теряет смазочную способность, химическую стойкость и радиационную устойчивость.

Политетрафторэтилен (PTFE) обладает крайне низким коэффициентом трения как в вакууме, так и в атмосфере. Его практическое применение колеблется в температурном диапазоне -100…+250 °C. PTFE не обладает повышенной грузоподъемностью и долговечностью, как другие материалы. Из-за низкой теплопроводности и теплоотдачи он не используется при высоких температурах. Обладает устойчивостью к воздействию агрессивных сред.

Такие мягкие металлы как свинец, золото, серебро, медь, индий и цинк обладают относительно низким коэффициентом трения и в вакууме, и в атмосфере. Эти материалы чрезвычайно полезны при высоких температурах до +1000 °С и для смазывания тех элементов, где скольжение минимально.