Физико-химическая картина процесса трения на примере пары металл-металл

1. Аномально низкий коэффициент трения — до 0,003;
2. Макротвёрдость поверхности — до 690…710 HV. При использовании в качестве наполнителя УДА (ультрадисперсных алмазов), микротвёрдость соответствует по Моосу 10.
3. Ударная прочность — 50кг на кв.мм.
4. Высокая коррозийная стойкость, обеспечиваемая связывание атомарного водорода— катализатора всех физико-химических и химических процессов.
5. Высокое электросопротивление, обеспечиваемое наличием в матрице органических соединений (фторопласт — 4, стирол и др.), природных соединений (гидрофобных и «двойников»).
6. Высокая огнеупорность, обеспечиваемая наличием при формировании жидкого кристалла преимущественно природных минералов (гидрофобных и «двойников»), причём, если обеспечиваются повышенные давления и температуры, то формируется чисто керамический слой (технология порошковой металлургии). Сформированное покрытие контактируемых поверхностей (в зависимости от форм движения), с учетом переструктурирования подповерхностного слоя, обладает повышенными свойствами:

• на истирание, вследствие аномально низкого коэффициента трения до 0,003
• обеспечивается стойкость к: температуре (жаростойкость), электрическим воздействиям (электросопротивлению), химическим воздействия (коррозийной стойкости).

Применение «Реагент-3000», при эксплуатации машин и механизмов (при учёте форм движения контактируемых поверхностей) обеспечивает эффект отсутствия износа, при удовлетворении следующих условий:

Мв=Мд+Му,

где:

Мв— масса вводимого в зону трения «Реагент-3000»

Мд— масса деструктируемого в зоне трения «Реагент-3000»

Му— масса уносимого маслом из зоны трения «Реагент-3000»

Физико-химическая картина процесса трения на примере пары сталь-сталь

Масла

Даже очень хорошо подготовленная поверхность стали с шероховатостью 0,63 (рисунок 1) при детальном рассмотрении под микроскопом имеет вид вспаханного поля с чередой пиков, кратеров и редких равнин между ними. Чтобы уменьшить износ и добиться более высокой технологической твёрдости металлической поверхности как правило проводится ее химико-термическая обработка (ХТО), обеспечивающая прочность поверхности металла 58…63НRСэ. Однако, при трении диспенсионно-упрочняющие системы (частицы, например, карбида металлов) диффундирует с поверхности трения в металл, снижая прочность в 5—8раз, а следовательно, и ресурс детали.

Рис. 1: Конструктивное биение из-за подшипников второго класса точности диаметром 40мм. При трении металлических поверхностей возникают электромагнитные поля, которые захватывают атомарный водород (продукт деструкции масла) и направляют его в подложку металла.

В процессе движения контактируемых поверхностей относительно друг друга, их наиболее выступающие пики (рисунок 2) вступают в соприкосновение и разрушаются, образуя в зоне разрушения микропика— микрократер, причём, вследствие ХТО межзёренное пространство становится менее прочным из-за внедрения атомов элементов с малым сечением ядра, что ведёт к 70% разрушению межкристаллитно и только 30% транскристаллитно. Без проведения упрочнения поверхностей скорость разрушения повышается в 3—10 раз.

Рис. 2: С ростом зазоров биение увеличивается пропорционально (в два раза). Атомарный водород накапливается в межзеренном пространстве, которое для него является емкостью, так как наиболее неплотная структура металла.

В каждый последующий момент работы будут соприкасаться и разрушаться другие микропики микрорельефа (причём, вследствие эффекта микроканавок, возбуждается процесс автоколебаний, который раскачивает отдельные пики, вводя их в резонанс), добавляя в масло всё новые и новые частицы металла, увеличивая зазоры (рисунок 3). Кроме того, масло претерпевает из-за действия температуры и механоактивации деструкцию, образуя атомарный водород, который, являясь мощным катализатором, устремляется в зону повышенных температур— подповерхностный слой, нагреваемый за счёт пластических деформаций, вызываемых сдвиговыми усилиями и тем, что поверхностный слой более прочный и имеет лучший теплоотвод.

Рис. 3: С ростом зазора продолжает расти биение тела и контртела, ведущее к повышению вибрации и шума. Атомарный водород в дислокации соединяется частично с металлом, образуя гидраты, а в полостях и раковинах, образованных при литье, переходит из атомарного в молекулярное состояние, тоесть в газ.

За счет термоциклирования (эффект микроканавок возбуждает процесс автоколебаний, что обеспечивает термоциклирование) гамма-фаза (мартенсит) переходит в альфа-фазу (ферит) сплавов на основе железа и никеля, что обеспечивает сверхтекучесть поверхностного слоя, так как при фазовом переходе выделяется значительное количество атомарного водорода. Вследствие большой скорости охлаждения 10–4~10–5 сек поверхностные бугорки подкаливаются при избытке кислорода, формируя из легированного кислородом сплава кластеры размерами около 10нм (нанометров).

Атомарный водород, вступая в химические реакции с металлом и образуя хрупкие гидраты, заполняет поры микротрещин и дислокации подповерхностного слоя (рисунки 2, 3). Соединяясь друг с другом в молекулярный водород, он накапливается в любых полостях и расклинивает их, разрушая металл, так как создаваемые усилия превышают предел прочности материала. Таким образом, происходит чешуйчатое отслоение.

Надо помнить, ХТО неравномерно упрочняет металл. Это ведёт к тому, что в межзёренном пространстве накапливается большее количество мелких атомов, используемых для деформации решётки металла, что приводит к охрупчиванию зерна металла, и, проводимые в дальнейшем мероприятия (низкий отпуск и др.), не обеспечивают достаточной гомогенизации или резко повышают цену продукции.

За счёт увеличения зазора между контактируемыми поверхностями, повышается амплитуда биения, что ускоряет процесс разрушения. Масло имеет вязкость до 100сантистокс, поэтому может работать только как охлаждающая жидкость, и только в случае эффекта «масляного клина» как смазочный материал, так как даже при средненагруженных узлах смазочный материал должен иметь вязкость не менее 10000 сантистокс (литол, солидол и др.).

Однако использовать эффект «масляного клина» при создании конструкции довольно сложная задача:

• сложность подвода масла в зону контакта при требуемом давлении;
• чистота масла;
• сложность узлов уплотнения;
• сложность в обеспечении параллельных каналов от засорения.

Причём, на данном уровне развития промышленности вообще использовать эффект можно только в закрытых формах движения и невозможно на таких узлах, как зубчатые колёса и подшипники качения и другие.

Поэтому, до последнего времени, задача увеличения моторесурса решалась путём улучшения свойств материалов контактируемых деталей, специальной обработкой поверхностей и улучшением свойств применяемых масел.

Присадки

В последние годы активно применяются многочисленные присадки, как улучшающие свойства масел, так и обеспечивающие выравнивание дефектов микрорельефа трущихся поверхностей (Деста, Аспект модификатор, Универсальный модификатор, СУРМ, Гретерин, РиМет, Fenom, ER, Хадо, FORSAN, Супротек и другие).

Механизм работы присадки кратко рассмотрим напримере рисунка 4, где таже пара трения показана в том же увеличении, что и на других рисунках, но с учетом прогрессирующего износа.

Вводим: антиоксиданты (фиолетовые) для предотвращения старения масла, антизадирные (желтые) и заполняющие (зеленые) элементы.

Рис. 4: При введении в масло различных антизадирных и заполняющих присадок, впервое время происходит улучшение работы (снижается вибрация ишумы), но из-за продолжения насыщения металла атомарным и молекулярным водородом, создания гидратов металлов в межзеренном пространстве, происходит разрушение подповерхностного слоя, что приводит к его чешуйчатому или кратерному отслаиванию.

В процессе трения крупные кратеры на поверхностях металла заполняются заполняющими элементами. Частично выровненные поверхности на антизадирных элементах, как на шариках, проскальзывают друг подругу (рисунок 5).

Рис. 5: При введении в масло различных антизадирных и заполняющих присадок, впервое время происходит улучшение работы (снижается вибрация и шумы), но из-за продолжения насыщения металла атомарным и молекулярным водородом, создания гидратов металлов в межзеренном пространстве, происходит разрушение подповерхностного слоя, что приводит к его чешуйчатому или кратерному отслаиванию.

Основной недостаток данной технологии заключается в том, что в местах трения всё время необходимо наличие присадки в достаточной концентрации, а образующийся атомарный водород, результат деструкции масла, как и в случае работы конструкции без присадки, устремляется в подповерхностный слой металла, разрушая его таким же образом, как и без присадки, но с меньшей скоростью.

При этом поддержание значительной концентрации присадок в системе подачи масла повышает вероятность засорения параллельной ветви масляной системы.

Жидкий монокристалл. Технология «Реагент-3000».

Данная технология заключается в использовании эффектов и закономерностей, возникающих в паре трения в присутствии систем, включающих (рисунок 6):

• керамику (упрочняющие дисперсные системы, способные компенсировать собственные дисперсионные системы, дифундирующие споверхности вподповерхностные слои металла);
• металлы (легирующие матрицу поверхностного и подповерхностного слоев пары трения);
• модификаторы (снижающие скорость диффузии дисперсионных упрочняющих систем с поверхностных слоев в подповерхностные);
• органика (лиганды, обеспечивающие связывание атомарного водорода, выделяющегося приγ => α переходах всплавах на Fe и/или Ni основе);
• металло-органику (стабилизатор процесса предокисления иформирующий легированный кислородом сплав).

Рис. 6: При введении вмасло защитно-восстановительного комплекса «Реагент 3000», мягкие составляющие не позволяют скалывать гребни (выступы) при данном классе частоты и точности, заполняя постепенно неровности поверхностей контактов.

Эффекты шаржирования, сверхтекучести сплавов на основе Ni и Fe, дисперсионная донорная подпитка поверхностного слоя, связывание излишнего атомарного водорода при снижении его парциального давления, что позволяет отсасывать его из объема металла, идругие эффекты позволяют повышать ресурс узла трения в 3~10 раз.

Так технология «Know–How» позволяет обеспечивать донорную подпитку поверхностного слоя не только системами IV A группы в системах Nb— Me IV A –C,N,O, но и Nb— Me III A (IIA)— O.

Надо отметить, что теплота образования Me III A группы Me2O, примерно в два раза выше теплоты образования Me IV A группы MeC2.

Так, соответственно, Me2O3 для AI=400,5; Sc=458,2; Y=420,1; La=428,9; а для MeC2 Ti=225,5; Zr=263; Hf=272; Th=294

(для MeCn MeN IV A группы соответственно в 5 и 3 раза для Ti, Zn, Hf, а для Th MeC=29,6ккал/моль).

Если условно разделить протекающие процессы на этапы, то можно представить себе картину следующим образом.

3.1. Засчет высокой энергии образования прочных фаз внедрения металлов II A; III A; IV A групп периодической системы элементов, используемых в защитно-восстановительном покрытии, в дальнейшем

ЗВП— компонент керамики, в местах контакта выполняются как суперфинишные операции обработки поверхностей трения: очистка от нагаров, оксидов, лакообразований, так и подпитка поверхностного слоя непрерывно дифундирующими из нее дисперсионно упрочняющими системами. Компонент органика принимает участие в ускорении этого процесса, а также восстановлении металлов из оксидов, связывании атомного водорода и синтезе углеводородов из CO и/или CO2+H. Компонент металл обеспечивает легирование поверхностного и подповерхностного слоев (рисунок 7).

Рис. 7: Формируется поверхностная пленка из органики, металлов и УДА (ультрадисперсных алмазов). Кислотные остатки и УДА создают эффект механо-химической полировки пар трения, создавая эффект шаржирования. Это свойство позволяет при минимальном щадящем режиме очищать пары трения от лаков, нагаров и закоксований, оптимально подгоняя детали относительно друг друга. Образующееся защитно-восстановительное покрытие по своей структуре повторяет эффект порошковой металлургии.

Протекание этих процессов обеспечивается при эффектах: микроканавок, обеспечивающих сверхтекучесть сплавов на основе Fe и Ni при парциальном давлении атомарного водорода более 0,02Мпа (например, при ~500циклов циклирования перехода Fe γ≥α); дифундировании дисперсионно упрочняющих систем из зоны трения вподповерхностные слои, а из подповерхностных слоев диффундировании некарбидообразующих (например, Fe, Ni) вповерхностные слои.

Вместах локального контакта в микрообъемах температуры, например, хромосодержащих сплавов достигает 900°C, что при скоростях охлаждения 10–4~10–5 секунды ведет кэффекту легирования кислородом сплавов (ЛКС), формированию кластеров, неявляющихся оксидами, но с энергией ковалентной связи. Высокопрочные ЛКС кластеры «плавают» в матрице в полуклатратной связи (не достаточно прочно связаны с матрицей).

Процесс связывания и синтез атомарного водорода обеспечивает: снижение парциального давления водорода в металле, защищая его от водородных износа истарения, нетолько в поверхностном слое, но и по всей толщине конструкции.

Наличие каталитических систем, дисперсноупрочняющих систем или гандных систем обеспечивают также за счет

диффузионных процессов и значительных локальных температур, давлений и циклов этих воздействий (глюонные импульсные воздействия— низкотемпературная плазма— электро-магнитно-гравитационное воздействие переходов

квазисистем в диполи плюс глюоны), переструктурирование не смешиваемых в обычных условиях систем Nb— MeIIIA(IIA)— O.

Рис. 8: Продолжает формироваться поверхностный и подповерхностный слой защитно-восстановительного покрытия. Атомарный водород вступает в реакцию с хим. составляющими «Реагент 3000» и создает прочные связи, уже охрупченных зерен металла. Непрерывно образующийся атомарный водород в зоне трения уже невступает в реакцию с металлом, так как защитно-восстановительное покрытие является диэлектриком и непропускает электромагнитные поля в подложку металла. Коэффициент трения покрытия аномально низкий, так как УДА гидрофильны, а органно-металлическая часть гидрофобна.

В процессах шаржирования обеспечивается не только массоперенос, обеспечивающий активное перемешивание несмешиваемых в обычных условиях систем, но и появление новых дислокаций в подповерхностном слое, повышая электросопротивление (понижая плотность низкотемпературной плазмы), препятствующее движению блуждающих токов, что способствует стоку атомарного водорода из металла в зону повышенной диффузионной активности, т.е. к зоне третьего тела (масла) (рисунок 8).

Переходные металлы IV A группы при наличии C, N, O в вышеперечисленных условиях способны сами формировать дисперсионно-упрочняющие системы Nb— Me(IV A)— C, N, O, поддерживая прочность, а значит износостойкость поверхностей пары трения.

Использование антиоксидантов в «Реагент 3000» необходимо для восстановления оксидов, а кислородосодержащих для формирования ЛКС.

3.2. Засчет вязких и пластических свойств металлов (преимущественно не карбидосодержащих) обеспечивается снижение охрупчивания матрицы поверхностного и подповерхностного слоев. Матрицу можно сравнить с волокнистой системой, формирующейся путем образования дислокаций, туннелей, процессов шаржирования и иных неплотностей (рисунок 9). Матрица способна удерживать в своих неплотностях дисперсионно упрочняющие системы: кластеры различных типов, а также катализаторы и лиганды.

Рис. 9: Поверхностный и подповерхностный слои сформированы. Образованная матрица из УДА, органики и металлов обладает тиксотропными свойствами (текущестью) и способна выдавливаться при избыточном наращивании. Этот эффект позволяет создавать покрытие, нормализующее технологические зазоры механизмов. Но, при отсутствии охлаждения маслом или другими смазками данной пары трения, жидко-кристаллическая фракция поверхности кристаллизуется, оптимально уменьшая зазоры контактируемых поверхностей для избежания фрикционного заклинивания.

Катализаторы инициируют цепные химические реакции, направленные надиффузионные и сегрегационные процессы в металле до глубины 0,2мм. В зоне контакта формируются клатраты, система типа дисульфокислоты фталоцианина кобальта, причем лиганды дисульфокислот замещаются на, например, N–оксиметилциануровую кислоту, что наделяет клатрат тиксотропными ииными свойствами (за счет нестабильности обеспечивается протекание окислительно-восстановительних процессов в требуемых направлениях и с требуемыми скоростями). Таким образом, обеспечивается управление химическими процессами в зоне трения путем введения катализаторов, определенным способом лигандированных.

Матрица — пористая система (волокнит), обладающая эффектом сверхтекучести при термациклировании (Fe сплава γ ≥ α переходах уже 500циклах) ведет себя, как жидкий монокристалл в зоне контакта.

Керамика — дисперсионноуплотняющая система заполняет поры, туннели, дислокации и иные неплотности, предохраняя вязкие системы от истирания, эффектов микросхватывания при малых энерговзаимодействиях. Засчет очень слабого взаимодействия керамики с матрицей, особенно Nb— Me(IIA, IIIA) — O обеспечивается: снижение диффузии с поверхности в подповерхностную зону керамики, что снижает расход керамики при трении. Наличие в зоне контакта антиоксидантов обеспечивает восстановление оксидов до металлов, а кислородосодержащих — формирование ЛКС.

Растекание жидкого монокристалла изменяет микрогеометрию поверхностей трения до энергетически более выгодной, образуя при этом пористую пленку матового цвета, легко удерживающую масло, что значительно эффективнее шероховатости от хонингования. Вкачестве керамики используются природные УДА, иглы и фибриллы, лигандированные биологически и состаренные вавтоклавах.

Вышеперечисленные процессы протекают параллельно не только в зоне контакта. В зоне контакта система активируется, а в масле происходят процессы на гомогенно-гетерагенных катализаторах, находящихся в масле.

Можно сделать вывод, что в природе непрерывно протекают следующие реакции:

• ядерные цепные реакции;
• ядерные реакции синтеза;
• химические цепные реакции;
• химические реакции синтеза (открытие академика Семенова Н. Н.).

Сформированный жидкий монокристалл (рисунок 9) имеет сложную физико-химическую структуру.

Ассоциация минералов, металлов и органических веществ биологически и гидротермально обработанных обеспечивает необходимые условия не только формирования и поддержания поверхностного и подповерхностного жидкокристаллических слоев втечение заданного рецептом времени, но и обеспечивает формирование саморегулируемой «живой» системы, в которой идут непрерывные процессы массопереноса и преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот (физические <≥ хемосорбционные <≥ химические процесы).

Кратко:

ДИПОЛЬ+ГЛЮОНКВАЗИЧАСТИЦА+АНТИКВАЗИЧАСТИЦА

Керамика— микрочастицы (@20~60нм), например, MeIIIA группа Me2O3— энергия связи более 400ккал/моль, химически стойки, скользят относительно друг друга, нашаржируя матрицу, заполняя ее дислокации, туннели и пустоты, т.к. имеют практически 6 степеней свободы и вступая только в слабое взаимодействие с матрицей энергией @3~10ккал/моль.

Керамика в матрице засчет эффекта микроканавок и наличия 6 степеней свободы «полирезанирует» (процесс автоколебаний). Данная активация снижает коэффициент трения, но увеличивает скорость диффузионных процессов.

Для снижения скорости диффузионных процессов матрица модифицируется, например, Мо и катализаторами платиновой группы при непрерывном лигандировании.

Управление процессами наращивания обеспечивается путем изменения соотношений керамики, металла и органики («Know–How») с обязательным учетом: формы движения, материалов пары трения, относительной скорости, температуры масла, типа масла, окружающей среды.

Информация ООО "Руслана"