eng
Выпуск #6/2015
Ю.Мазалов, Р.Соловьев, Н.Сергеев, А.Федотов, А.Дунаев, П.Витязь, Л.Судник
Триботехнические свойства наноструктурного бемита
Триботехнические свойства наноструктурного бемита
Просмотры: 5245
Исследована структура, фазовый, химический состав и термические свойства бемита, полученного гидротермальным синтезом. Определены триботехнические характеристики, антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства. Показана возможность использования бемита в качестве препарата для приработки дизельного двигателя.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.84.93
DOI:10.22184/1993-8578.2015.60.6.84.93
Теги: friction nanostructured boehmite repair and restoration composition running-in wear износ наноструктурный бемит приработка ремонтно-восстановительный состав трение
Существенно улучшить технико-экономические характеристики новых и отремонтированных дизельных двигателей в режиме штатной эксплуатации можно с помощью специальных трибопрепаратов – восстановительных антифрикционных и противоизносных добавок к моторным маслам. Использование добавок позволяет, не ухудшая эксплуатационные параметры масел, не только повысить технические характеристики агрегата, но и в ряде случаев продлить его ресурс, сформировав на поверхностях трения деталей машин антифрикционную структуру.
К настоящему времени разработано много различных добавок, которые целесообразно применять в разные периоды эксплуатации машин. Разработаны добавки для приработки (притирки деталей) нового или отремонтированного узла, агрегата, обеспечивающие максимальное прилегание деталей в сопряжениях, оптимизацию шероховатости рабочих поверхностей деталей и, в результате, минимизацию трения и повышение износостойкости. Для начального послеремонтного периода штатной эксплуатации двигателей и агрегатов машин применяются другие трибопрепараты, снижающие коэффициент трения и износ. Для последующего периода эксплуатации разработаны ремонтно-восстановительные составы, обладающие свойствами исправлять геометрию деталей в зоне износа и компенсировать увеличившиеся зазоры [1–3]. Под действием локальных температур и давлений в местах трения происходит наращивание композитного слоя, состоящего из продуктов разложения восстановительных препаратов, материала поверхностного слоя детали и масла. В результате уменьшается образовавшийся зазор и увеличивается ресурс агрегата.
Многие трибопрепараты содержат в качестве активного вещества природные материалы, которые неоднородны по химическому и минералогическому составу, что приводит к разбросу триботехнических свойств и даже может стать причиной выхода агрегатов из строя. Все это заставляет разработчиков искать искусственные трибопрепараты со стабильными свойствами [4]. Такие препараты могут быть созданы на основе моногидроксида алюминия (бемита) – искусственного материала со стабильными свойствами. Подобно графиту и дисульфиду молибдена, эффективно снижающих трение, бемит также обладает слоистой структурой. В подобных соединениях в плоскости слоя связь прочная (ковалентная или ионная с разной степенью ковалентной связи) и существенно менее прочная в перпендикулярной плоскости (металлическая, Ван-Дер-Ваальса или водородная, как в бемите). Такая структура обеспечивает скольжение слоев друг относительно друга и низкий коэффициент трения. В основе структуры бемита – чередование пачек, состоящих из двух кислородных (внутренних) и двух гидроксильных (внешних) слоев. Атомы алюминия в кристаллической решетке бемита окружены деформированной октаэдрической группировкой из атомов кислорода. Проведенные авторами исследования показали перспективность этого материала в качестве трибопрепарата [5].
Целью работы являлось исследование структуры, термических и триботехнических свойств наноструктурного бемита, полученного методом гидротермального синтеза, для разных периодов эксплуатации машин.
Материалы и методы исследований
В работе использовался порошок бемита, полученный методом гидротермального окисления порошка алюминия [6]. Микроструктуру порошка исследовали на оптическом и сканирующем зондовом микроскопах SolverNext (ЗАО "НТ-МДТ"); химический состав определяли на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP 6300MFCDuo (для анализа порошок бемита растворяли в плавиковой кислоте); фазовый состав, степень кристалличности и размер кристаллов – на рентгеновском дифрактометре XRD 6000 фирмы Shimadzu (Япония); удельную поверхность – методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе Autosorb-1 (США). Для трибологических исследований применялись четырехшариковая машина трения (ЧШМТ), специальное приспособление фирмы Wagner, а также машина трения 2070 СМТ-1 и МТУ.
Приработку нового дизеля Д-243 проводили на модернизированном обкаточно-тормозном стенде КИ-3540-ГОСНИТИ. Расход картерных газов измеряли газовым счетчиком, непрерывно замеряя расход топлива. Система сбора и регистрации информации позволяла регистрировать во времени с заданной дискретностью отсчетов характер изменения частоты оборотов вала двигателя, момента на валу, давления масла в системе смазки двигателя, температуры масла, температуры воды в системе охлаждения двигателя, расхода топлива. В ходе приработки без бемита и с ним по четыре раза брались пробы масла для оценки концентрации механических примесей: через три минуты от начала холодной приработки, после холодной и после горячей приработки, а также после испытания на износостойкость. Шероховатость цилиндрических поверхностей поршневых колец, вкладышей коренных и шатунных подшипников до и после приработки оценивали профилометром Surtronic-ЗР фирмы Taylor Hobson (Дания).
Исследования проведены на одном двигателе внутреннего сгорания (ДВС). К каждому испытанию его собирали с новыми деталями цилиндропоршневой группы, новыми втулками верхней головки и вкладышами шатуна. Во всех случаях бемит вводили в масло при непрерывном растирании методом последовательного разбавления.
Исследования структуры, термических и триботехнических свойств бемита
Исследовали разные партии бемита, полученного методом гидротермального синтеза. Его отличительной особенностью является высокая степень однородности, стабильность состава и структуры разных партий. По данным рентгенофазового и петрографического анализов, в отличие от порошков гидроксидов алюминия катализаторных производств, бемит гидротермального синтеза хорошо закристаллизован и состоит из моногидроксида алюминия AlOOH. Потери при прокаливании соответствуют стехиометрическим 15 мас.% (рис.1). Процесс синтеза доработан для получения порошков высокой чистоты – по данным спектрального анализа, при использовании порошка алюминия высокой чистоты и деионизированной воды содержание примесей не превышает 0,07 мас.%.
При термообработке бемита выделение воды начинается при 350–400°С и сопровождается разрушением кристаллической структуры с образованием безводных форм оксида алюминия – гамма, дельта, альфа и др. (табл.1). Наблюдающийся рост удельной поверхности обусловлен разрушением структуры и измельчением частиц. Дальнейшее уменьшение поверхности происходит в результате спекания и рекристаллизации. По данным петрографического и рентгенофазового анализов, при 1300°C завершается переход в α-оксид алюминия – корунд. Подобные процессы могут происходить в контактной зоне трения, где температуры достигают сотен градусов и доходят до 1000°С. В результате на поверхности трения может происходить разложение бемита с образованием корунда. Немаловажную роль в фазовых превращениях могут играть и механические напряжения в местах соприкосновения деталей. Температура повышается и в объеме металла около зоны трения – измерения показали 70–100°С.
По данным рентгеноструктурного анализа, область когерентного рассеяния, характеризующая размер кристаллов исходного порошка, составляла 20–40 нм для разных партий порошка и не превышала 80 нм. На сканирующем микроскопе можно было наблюдать как отдельные частицы, так и агрегаты частиц преимущественно размером 2–3 мкм, максимально – до 10 мкм. Таким образом, бемит гидротермального синтеза можно характеризовать как наноструктурный материал.
Исследования на ЧШМТ показали, что введение 1% бемита в моторное, индустриальное и рапсовое масла уменьшает диаметр пятна износа до 34% при температуре 150°С, а для некоторых масел – и при комнатной температуре (табл.2).
Испытания на задир на специальном приспособлении фирмы Wagner показали, что введение бемита повышает противоизносные и противозадирные свойства:
• время опыта до задира – остановки электродвигателя увеличилось на 37–40%;
• потребляемый ток электродвигателя уменьшился на 15–20%;
• усилие прижима образца к контр-образцу до полной остановки электродвигателя увеличилось на 40–50%;
• величина износа образца уменьшилась на 15–20%.
Триботехнические свойства пластичных смазок, куда вводили бемит в качестве загустителя, определяли также на ЧШМТ. Добавление 10% порошка бемита улучшило как противоизносные свойства (критическая нагрузка увеличилась с 863 до 1570 Н), так и противозадирные свойства (нагрузка сваривания выросла с 1471 до 1962 Н), а индекс задира с 43 до 62 единиц.
На машине трения 2070 СМТ-1 проводили испытания по схеме установки и нагружения образцов "ролик-колодка". Частота вращения вала машины составляла 1000 мин-№, колодку вырезали из гильзы цилиндра дизеля Д-240. Испытания моторного масла М-10ДМ с добавкой бемита после УЗО показали, что 0,5% порошка бемита уменьшают коэффициент трения до 0,05, а температуру в зоне трения – с 54 до 45°С.
На машине трения МТУ проводили испытания пары трения "пластина-ролик" (материал Ст.10). Как видно из табл.3, введение около 0,01% бемита в индустриальное масло И-20 уменьшает износ ролика в 5,9 раз, а пластины – в 5,6 раз. В солидоле при концентрации около 9% износ уменьшился соответственно в 2,1 и 2,8 раз. Корундовый порошок в смазке (концентрация около 2,4%) проявляет абразивные свойства, что приводит к возрастанию износа.
Сравнительные испытания использующихся в настоящее время трибопрепаратов показали, что наиболее эффективны многокомпонентные составы, содержащие, кроме смеси минералов, металлоорганическое поверхностно-активное вещество (ПАВ). Наноструктурный бемит в композиции с ПАВ, подвергнутый ультразвуковой обработке (УЗО), повысил нагрузочную способность пары в сравнении с маслом более чем в 2 раза и в 1,8 раза – по сравнению с составом, содержащим бемит без УЗО и ПАВ. В результате, в диапазоне давлений 200–550 Н коэффициент трения уменьшился до 0,044–0,05 (рис.2).
УЗО измельчает агрегаты бемита и повышает устойчивость суспензии. Повышению агрегативной устойчивости способствует и добавка ПАВ. Без такой обработки и добавки ПАВ может происходить расслоение суспензии при длительном хранении. Низкий коэффициент трения и износ (определяли по длине лунки износа) позволяют предположить большой ресурс трибосопряжений. Добавка наноструктурного бемита повысила эффективность исследуемых промышленных трибопрепаратов.
Приработка дизеля Д-243 при использовании бемита показала стабилизацию компрессии в цилиндрах на уровне 3,0 МПa через 30–40 мин. Без бемита для этих значений компрессии требовалось не менее 80 мин (рис.3). Шероховатость вкладышей и поршневых колец после приработки без бемита больше, чем с ним в 1,38–1,65 раза (рис.4). Содержание механических примесей в масле при разных приработках приведено на рис.5, а расход картерных газов – на рис.6.
Из экспериментальных данных следует, что после холодной приработки с бемитом суммарный износ сопряжений дизеля на 34% больше, чем при приработке без него, но суммарный износ за всю приработку с бемитом на 5,8% меньше. Расчет времени приработки, необходимого на увеличение содержания механических примесей в масле на один процент, показал повышение износостойкости сопряжений двигателя на 22% (с 27,77 ч/% при приработке без присадки до 35,71 ч/%). В целом ввод бемита повысил износостойкость дизеля и уменьшил приработочный износ. Через 60 мин приработки износ первого компрессионного кольца с использованием бемита был меньше в 2 раза, расход картерных газов – в 1,6 раз, а температура масла – на 15–20°С.
Максимальная эффективная мощность дизеля, приработанного в течение 90 мин на масле с бемитом, составила 52,5 кВт, удельный расход топлива – 257 г/л.с.ч., что близко к показателям дизеля после 50–100 ч работы. А при приработке двигателя на простом масле в течение тех же 90 мин его наибольшая мощность была около 45 кВт, удельный расход топлива – около 270 г/л.с.ч. После 120 мин износ первого компрессионного кольца оказался меньше в 2,5 раза, а расход картерных газов – на 12,7%.
Далее дизель работал с переменной нагрузкой 70 ч: 30 ч с возрастающей нагрузкой, остальное время с нагрузкой 50 кВт при 1800 об/мин. В конце испытаний существенной разницы в износе верхнего компрессионного кольца в обоих случаях не выявлено. Средний расход картерных газов при использовании бемита составлял 11,0 л/мин, а с обычным маслом – 12,6 л/мин.
В целом использование бемита уменьшило время полной приработки дизеля Д-243 в 1,8–2 раза, начальный износ первого компрессионного кольца – в 2,5 раза, расход картерных газов – на 12,7%, а масла – на 27%.
Принимая во внимание положения трибологии, роль бемита в трибосреде со стандартными смазками можно свести к следующему:
• подшлифовка поверхностей трения, повышение чистоты поверхностей, снижение механической составляющей коэффициента трения;
• очистка поверхностей трения от наслоений, оксидных пленок и дефектных структур, что обеспечивает доступ частиц бемита к каталитически активным поверхностям металлов и ускоряет образование антифрикционных покрытий;
• адсорбция на поверхности частиц бемита смолистых веществ, что создает частицы, разделяющие детали ("третьи тела" в трибопаре), которые уменьшают коэффициент трения.
Заключение
Исследования структуры, термических и триботехнических свойств бемита гидротермального синтеза, который имеет нанокристаллическое строение, высокую фазовую и химическую чистоту, показали, что он обладает антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами. В композиции с ПАВ, подвергнутый УЗО, повышает нагрузочную способность пары более чем в два раза, уменьшает коэффициент трения до 0,044–0,055.
Добавка бемита до двух раз ускоряет и повышает качество приработки двигателей. Разработаны рекомендации по обкатке ДВС с использованием наноструктурного бемита.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности продолжения изысканий в этом направлении и проведения дальнейших лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний.
Работа выполнена при финансовой поддержке Миноборнауки РФ (соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0004 от 22.08.2014 г. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI61314X0004).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность)/ – М.: Изд-во МСХА, 2001, 616 с.
2. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин. – М.: ГОСНИТИ, 1995, 278 с.
3. Мазалов Ю.А., Лялякин В.П., Соловьев Р.Ю., Ольховацкий А.К., Федотов А.В. Энергосбережение при применении трибопрепаратов в смазочных маслах // Труды 7-й Международной научно-технической конференции (18–19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ) // М.: ОНО "Типография Россельхозакадемии", 2010, ч.5. С. 169–174.
4. Селютин Г.Е. и др. Применение модифицированных наноалмазов для увеличения ресурса узлов трения // Труды ГОСНИТИ. 2011 (107, ч. 2). С. 25–29.
5. Гвоздев А.А., Дунаев А.В., Мазалов Ю.А., Ольховацкий А.К., Федотов А.В. Износостойкие триботехнические покрытия / Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка // Материалы докладов 9-й международной научно-технической конференции - Минск, Беларусь 29–30 сентября 2010 г. – Минск: Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ, 2010. С. 184–185.
6. Мазалов Ю.А., Берш А.В., Иванов Ю.Л. Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода. Патент РФ № 2278077 по заявке на изобретение № 2005121562 от 11.07.2005 г. Опубл. 20.06.2006.
К настоящему времени разработано много различных добавок, которые целесообразно применять в разные периоды эксплуатации машин. Разработаны добавки для приработки (притирки деталей) нового или отремонтированного узла, агрегата, обеспечивающие максимальное прилегание деталей в сопряжениях, оптимизацию шероховатости рабочих поверхностей деталей и, в результате, минимизацию трения и повышение износостойкости. Для начального послеремонтного периода штатной эксплуатации двигателей и агрегатов машин применяются другие трибопрепараты, снижающие коэффициент трения и износ. Для последующего периода эксплуатации разработаны ремонтно-восстановительные составы, обладающие свойствами исправлять геометрию деталей в зоне износа и компенсировать увеличившиеся зазоры [1–3]. Под действием локальных температур и давлений в местах трения происходит наращивание композитного слоя, состоящего из продуктов разложения восстановительных препаратов, материала поверхностного слоя детали и масла. В результате уменьшается образовавшийся зазор и увеличивается ресурс агрегата.
Многие трибопрепараты содержат в качестве активного вещества природные материалы, которые неоднородны по химическому и минералогическому составу, что приводит к разбросу триботехнических свойств и даже может стать причиной выхода агрегатов из строя. Все это заставляет разработчиков искать искусственные трибопрепараты со стабильными свойствами [4]. Такие препараты могут быть созданы на основе моногидроксида алюминия (бемита) – искусственного материала со стабильными свойствами. Подобно графиту и дисульфиду молибдена, эффективно снижающих трение, бемит также обладает слоистой структурой. В подобных соединениях в плоскости слоя связь прочная (ковалентная или ионная с разной степенью ковалентной связи) и существенно менее прочная в перпендикулярной плоскости (металлическая, Ван-Дер-Ваальса или водородная, как в бемите). Такая структура обеспечивает скольжение слоев друг относительно друга и низкий коэффициент трения. В основе структуры бемита – чередование пачек, состоящих из двух кислородных (внутренних) и двух гидроксильных (внешних) слоев. Атомы алюминия в кристаллической решетке бемита окружены деформированной октаэдрической группировкой из атомов кислорода. Проведенные авторами исследования показали перспективность этого материала в качестве трибопрепарата [5].
Целью работы являлось исследование структуры, термических и триботехнических свойств наноструктурного бемита, полученного методом гидротермального синтеза, для разных периодов эксплуатации машин.
Материалы и методы исследований
В работе использовался порошок бемита, полученный методом гидротермального окисления порошка алюминия [6]. Микроструктуру порошка исследовали на оптическом и сканирующем зондовом микроскопах SolverNext (ЗАО "НТ-МДТ"); химический состав определяли на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP 6300MFCDuo (для анализа порошок бемита растворяли в плавиковой кислоте); фазовый состав, степень кристалличности и размер кристаллов – на рентгеновском дифрактометре XRD 6000 фирмы Shimadzu (Япония); удельную поверхность – методом низкотемпературной адсорбции азота на анализаторе Autosorb-1 (США). Для трибологических исследований применялись четырехшариковая машина трения (ЧШМТ), специальное приспособление фирмы Wagner, а также машина трения 2070 СМТ-1 и МТУ.
Приработку нового дизеля Д-243 проводили на модернизированном обкаточно-тормозном стенде КИ-3540-ГОСНИТИ. Расход картерных газов измеряли газовым счетчиком, непрерывно замеряя расход топлива. Система сбора и регистрации информации позволяла регистрировать во времени с заданной дискретностью отсчетов характер изменения частоты оборотов вала двигателя, момента на валу, давления масла в системе смазки двигателя, температуры масла, температуры воды в системе охлаждения двигателя, расхода топлива. В ходе приработки без бемита и с ним по четыре раза брались пробы масла для оценки концентрации механических примесей: через три минуты от начала холодной приработки, после холодной и после горячей приработки, а также после испытания на износостойкость. Шероховатость цилиндрических поверхностей поршневых колец, вкладышей коренных и шатунных подшипников до и после приработки оценивали профилометром Surtronic-ЗР фирмы Taylor Hobson (Дания).
Исследования проведены на одном двигателе внутреннего сгорания (ДВС). К каждому испытанию его собирали с новыми деталями цилиндропоршневой группы, новыми втулками верхней головки и вкладышами шатуна. Во всех случаях бемит вводили в масло при непрерывном растирании методом последовательного разбавления.
Исследования структуры, термических и триботехнических свойств бемита
Исследовали разные партии бемита, полученного методом гидротермального синтеза. Его отличительной особенностью является высокая степень однородности, стабильность состава и структуры разных партий. По данным рентгенофазового и петрографического анализов, в отличие от порошков гидроксидов алюминия катализаторных производств, бемит гидротермального синтеза хорошо закристаллизован и состоит из моногидроксида алюминия AlOOH. Потери при прокаливании соответствуют стехиометрическим 15 мас.% (рис.1). Процесс синтеза доработан для получения порошков высокой чистоты – по данным спектрального анализа, при использовании порошка алюминия высокой чистоты и деионизированной воды содержание примесей не превышает 0,07 мас.%.
При термообработке бемита выделение воды начинается при 350–400°С и сопровождается разрушением кристаллической структуры с образованием безводных форм оксида алюминия – гамма, дельта, альфа и др. (табл.1). Наблюдающийся рост удельной поверхности обусловлен разрушением структуры и измельчением частиц. Дальнейшее уменьшение поверхности происходит в результате спекания и рекристаллизации. По данным петрографического и рентгенофазового анализов, при 1300°C завершается переход в α-оксид алюминия – корунд. Подобные процессы могут происходить в контактной зоне трения, где температуры достигают сотен градусов и доходят до 1000°С. В результате на поверхности трения может происходить разложение бемита с образованием корунда. Немаловажную роль в фазовых превращениях могут играть и механические напряжения в местах соприкосновения деталей. Температура повышается и в объеме металла около зоны трения – измерения показали 70–100°С.
По данным рентгеноструктурного анализа, область когерентного рассеяния, характеризующая размер кристаллов исходного порошка, составляла 20–40 нм для разных партий порошка и не превышала 80 нм. На сканирующем микроскопе можно было наблюдать как отдельные частицы, так и агрегаты частиц преимущественно размером 2–3 мкм, максимально – до 10 мкм. Таким образом, бемит гидротермального синтеза можно характеризовать как наноструктурный материал.
Исследования на ЧШМТ показали, что введение 1% бемита в моторное, индустриальное и рапсовое масла уменьшает диаметр пятна износа до 34% при температуре 150°С, а для некоторых масел – и при комнатной температуре (табл.2).
Испытания на задир на специальном приспособлении фирмы Wagner показали, что введение бемита повышает противоизносные и противозадирные свойства:
• время опыта до задира – остановки электродвигателя увеличилось на 37–40%;
• потребляемый ток электродвигателя уменьшился на 15–20%;
• усилие прижима образца к контр-образцу до полной остановки электродвигателя увеличилось на 40–50%;
• величина износа образца уменьшилась на 15–20%.
Триботехнические свойства пластичных смазок, куда вводили бемит в качестве загустителя, определяли также на ЧШМТ. Добавление 10% порошка бемита улучшило как противоизносные свойства (критическая нагрузка увеличилась с 863 до 1570 Н), так и противозадирные свойства (нагрузка сваривания выросла с 1471 до 1962 Н), а индекс задира с 43 до 62 единиц.
На машине трения 2070 СМТ-1 проводили испытания по схеме установки и нагружения образцов "ролик-колодка". Частота вращения вала машины составляла 1000 мин-№, колодку вырезали из гильзы цилиндра дизеля Д-240. Испытания моторного масла М-10ДМ с добавкой бемита после УЗО показали, что 0,5% порошка бемита уменьшают коэффициент трения до 0,05, а температуру в зоне трения – с 54 до 45°С.
На машине трения МТУ проводили испытания пары трения "пластина-ролик" (материал Ст.10). Как видно из табл.3, введение около 0,01% бемита в индустриальное масло И-20 уменьшает износ ролика в 5,9 раз, а пластины – в 5,6 раз. В солидоле при концентрации около 9% износ уменьшился соответственно в 2,1 и 2,8 раз. Корундовый порошок в смазке (концентрация около 2,4%) проявляет абразивные свойства, что приводит к возрастанию износа.
Сравнительные испытания использующихся в настоящее время трибопрепаратов показали, что наиболее эффективны многокомпонентные составы, содержащие, кроме смеси минералов, металлоорганическое поверхностно-активное вещество (ПАВ). Наноструктурный бемит в композиции с ПАВ, подвергнутый ультразвуковой обработке (УЗО), повысил нагрузочную способность пары в сравнении с маслом более чем в 2 раза и в 1,8 раза – по сравнению с составом, содержащим бемит без УЗО и ПАВ. В результате, в диапазоне давлений 200–550 Н коэффициент трения уменьшился до 0,044–0,05 (рис.2).
УЗО измельчает агрегаты бемита и повышает устойчивость суспензии. Повышению агрегативной устойчивости способствует и добавка ПАВ. Без такой обработки и добавки ПАВ может происходить расслоение суспензии при длительном хранении. Низкий коэффициент трения и износ (определяли по длине лунки износа) позволяют предположить большой ресурс трибосопряжений. Добавка наноструктурного бемита повысила эффективность исследуемых промышленных трибопрепаратов.
Приработка дизеля Д-243 при использовании бемита показала стабилизацию компрессии в цилиндрах на уровне 3,0 МПa через 30–40 мин. Без бемита для этих значений компрессии требовалось не менее 80 мин (рис.3). Шероховатость вкладышей и поршневых колец после приработки без бемита больше, чем с ним в 1,38–1,65 раза (рис.4). Содержание механических примесей в масле при разных приработках приведено на рис.5, а расход картерных газов – на рис.6.
Из экспериментальных данных следует, что после холодной приработки с бемитом суммарный износ сопряжений дизеля на 34% больше, чем при приработке без него, но суммарный износ за всю приработку с бемитом на 5,8% меньше. Расчет времени приработки, необходимого на увеличение содержания механических примесей в масле на один процент, показал повышение износостойкости сопряжений двигателя на 22% (с 27,77 ч/% при приработке без присадки до 35,71 ч/%). В целом ввод бемита повысил износостойкость дизеля и уменьшил приработочный износ. Через 60 мин приработки износ первого компрессионного кольца с использованием бемита был меньше в 2 раза, расход картерных газов – в 1,6 раз, а температура масла – на 15–20°С.
Максимальная эффективная мощность дизеля, приработанного в течение 90 мин на масле с бемитом, составила 52,5 кВт, удельный расход топлива – 257 г/л.с.ч., что близко к показателям дизеля после 50–100 ч работы. А при приработке двигателя на простом масле в течение тех же 90 мин его наибольшая мощность была около 45 кВт, удельный расход топлива – около 270 г/л.с.ч. После 120 мин износ первого компрессионного кольца оказался меньше в 2,5 раза, а расход картерных газов – на 12,7%.
Далее дизель работал с переменной нагрузкой 70 ч: 30 ч с возрастающей нагрузкой, остальное время с нагрузкой 50 кВт при 1800 об/мин. В конце испытаний существенной разницы в износе верхнего компрессионного кольца в обоих случаях не выявлено. Средний расход картерных газов при использовании бемита составлял 11,0 л/мин, а с обычным маслом – 12,6 л/мин.
В целом использование бемита уменьшило время полной приработки дизеля Д-243 в 1,8–2 раза, начальный износ первого компрессионного кольца – в 2,5 раза, расход картерных газов – на 12,7%, а масла – на 27%.
Принимая во внимание положения трибологии, роль бемита в трибосреде со стандартными смазками можно свести к следующему:
• подшлифовка поверхностей трения, повышение чистоты поверхностей, снижение механической составляющей коэффициента трения;
• очистка поверхностей трения от наслоений, оксидных пленок и дефектных структур, что обеспечивает доступ частиц бемита к каталитически активным поверхностям металлов и ускоряет образование антифрикционных покрытий;
• адсорбция на поверхности частиц бемита смолистых веществ, что создает частицы, разделяющие детали ("третьи тела" в трибопаре), которые уменьшают коэффициент трения.
Заключение
Исследования структуры, термических и триботехнических свойств бемита гидротермального синтеза, который имеет нанокристаллическое строение, высокую фазовую и химическую чистоту, показали, что он обладает антифрикционными, противоизносными и противозадирными свойствами. В композиции с ПАВ, подвергнутый УЗО, повышает нагрузочную способность пары более чем в два раза, уменьшает коэффициент трения до 0,044–0,055.
Добавка бемита до двух раз ускоряет и повышает качество приработки двигателей. Разработаны рекомендации по обкатке ДВС с использованием наноструктурного бемита.
Полученные результаты свидетельствуют о перспективности продолжения изысканий в этом направлении и проведения дальнейших лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний.
Работа выполнена при финансовой поддержке Миноборнауки РФ (соглашение о предоставлении субсидии № 14.613.21.0004 от 22.08.2014 г. Уникальный идентификатор проекта RFMEFI61314X0004).
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность)/ – М.: Изд-во МСХА, 2001, 616 с.
2. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин. – М.: ГОСНИТИ, 1995, 278 с.
3. Мазалов Ю.А., Лялякин В.П., Соловьев Р.Ю., Ольховацкий А.К., Федотов А.В. Энергосбережение при применении трибопрепаратов в смазочных маслах // Труды 7-й Международной научно-технической конференции (18–19 мая 2010 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ) // М.: ОНО "Типография Россельхозакадемии", 2010, ч.5. С. 169–174.
4. Селютин Г.Е. и др. Применение модифицированных наноалмазов для увеличения ресурса узлов трения // Труды ГОСНИТИ. 2011 (107, ч. 2). С. 25–29.
5. Гвоздев А.А., Дунаев А.В., Мазалов Ю.А., Ольховацкий А.К., Федотов А.В. Износостойкие триботехнические покрытия / Новые материалы и технологии: порошковая металлургия, композиционные материалы, защитные покрытия, сварка // Материалы докладов 9-й международной научно-технической конференции - Минск, Беларусь 29–30 сентября 2010 г. – Минск: Институт порошковой металлургии ГНПО ПМ, 2010. С. 184–185.
6. Мазалов Ю.А., Берш А.В., Иванов Ю.Л. Способ получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода. Патент РФ № 2278077 по заявке на изобретение № 2005121562 от 11.07.2005 г. Опубл. 20.06.2006.
Отзывы читателей
