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

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #6/2015
Ю.Мазалов, Р.Соловьев, Н.Сергеев, А.Федотов, А.Дунаев, П.Витязь, Л.Судник
Триботехнические свойства наноструктурного бемита
Просмотры: 5485
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
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.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art