Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Рассмотренные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей, сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения, эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения, понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации. Разработки наиболее эффективны в условиях граничного трения, при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышенной температуре трения и «масляном голодании», характерных для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы, а также в режимах приработки и перегрузках.

Образование устойчивых защитных металлических пленок – это достаточно продолжительный (постепенный) процесс, поэтому при испытаниях, а также штатной работе техники может не наблюдаться резкого (внезапного) улучшения эксплуатационных показателей, но обязательно отмечается их положительная динамика, существенно влияющая на повышение надежности и ресурса узлов и агрегатов техники.

В соответствии с вышесказанным, в настоящее время к нанотехнологическим препаратам автохимии для применения в качестве и присадок и добавок к смазочным материалам автотракторной техники следует отнести разработки, рассмотренные в следующих разделах.

Реметаллизанты

Механизм действия реметаллизантов заключается в металло-плакировании трущихся поверхностей в результате осаждения металлических компонентов, входящих в состав реметаллизантов во взвешенном или ионном виде. При этом частично восстанавливаются микродефекты, снижается коэффициент трения, значительно повышается износостойкость плакированных поверхностей (в некоторых случаях – в сотни раз).

Термин «металлоплакирующий» (от франц. plaquer – покрывать) введен Д. Н. Гаркуновым и его соавторами в связи с изобретением ими в 1962 году смазочного материала, реализующего эффект избирательного переноса при трении.

В настоящее время металлоплакирующие композиции (реметаллизанты) разделяются на порошковые и ионные. Порошковые препараты в качестве основного компонента содержат ультрадисперсные (наноразмерные) порошки, а ионные – полностью маслорастворимые соли пластичных металлов, органические кислоты, мыла жирных и нафтеновых кислот, жирные амиды, эфиры жирных кислот и спиртов, а также глицерин. В качестве плакирующих металлов используют медь, олово, цинк, железо, алюминий, свинец, серебро, хром, никель и молибден.

Металлсодержащие смазочные композиции, кроме порошкообразных металлов, обычно включают активные химические компоненты, способные образовывать с ними структуры, необходимые для реализации «эффекта безызносности». Активные компоненты смазочной среды получают в процессе трения или добавляют при приготовлении. Подтверждением этому служат смазочные композиции, содержащие альдегиды, которые способны при трении образовывать вещества, необходимые для формирования металлсодержащих соединений, например комплексов двухвалентной меди.

Все жирные кислоты (предельные и непредельные) являются поверхностно-активными веществами (ПАВ). Под действием ПАВ поверхности трения пластифицируются, что способствует быстрому созданию оптимальных шероховатостей трущихся поверхностей. При относительно высоких температурах порядка Т = 423–477 К на них образуются тончайшие медные структуры (толщиной около 100 нм) – «сервовитная» пленка. Под действием содержащихся в присадке активных групп СООН и компонентов смазочного материала на поверхности «сервовитной» пленки формируется полимерная пленка – «серфинг-пленка».

Впервые присадку, образующую медную пленку на трущихся поверхностях, в 60-х годах прошлого века разработали в Московском технологическом институте. Она состояла из продуктов взаимодействия 50 % олеиновой кислоты и 50 % олеата меди.

В 1979 году швейцарская компания Actex S.A. начала серийное производство металлоплакирующих порошковых препаратов марки Lubrifilm metal, основанных на практической реализации «эффекта безызносности». Почти через 13 лет, в 1992 году, Lubrifilm metal одним из первых препаратов автохимии этого класса был официально сертифицирован НАМИ (Научный автомоторный институт, Москва) и одобрен АвтоВАЗом.

В МГАУ им. В. П. Горячкина создана металлоплакирующая присадка-восстановитель «Ретурн Металл», плакирующая смазка NRW и ряд других препаратов этого класса, которые являются современными научно-техническими разработками в области самоорганизующихся наноструктур и «эффекта безызносности».

Механизм действия препаратов заключается в формировании на трущихся поверхностях нанокристаллической самовосстанавливающейся защитной пленки с минимальным коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания из активных компонентов препаратов и частиц износа. При этом обеспечивается восстановление нано– и микродефектов поверхностей трения и их работоспособности.

Наибольший эффект достигается в условиях граничного трения при высоких нагрузках и скоростях скольжения, повышении температуры трения (что характерно для изношенных трущихся соединений техники с большим сроком службы), режимах приработки и перегрузках.

Разработанные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей, сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения, эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения, понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации.

Металлоплакирующая пластичная смазка NRW обеспечивает частичное безразборное восстановление микроизносов подшипников качения, скольжения и других смазываемых поверхностей.

Присадку «Ретурн Металл» также можно применять в качестве добавки к смазочно-охлаждающим техническим средам (СОТС) для улучшения качества поверхностей и повышения стойкости металлорежущего инструмента.

В настоящее время рядом научно-технических центров разрабатывается новое направление в автохимии и трибологии в целом. Это направление получило наименование «геотрибология» (от греческого геос — земля). Оно изучает трение, износ и смазывание в условиях применения различного рода минералов и других соединений геологического происхождения, имеющих микро– и наноразмеры.

Цель работ в этом направлении – создание специальных добавок в топливно-смазочные материалы на базе металлокерамических соединений, которые смогли бы вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения. Подобные добавки должны также обладать высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.

Геомодификаторы

Препараты автохимии на основе минералов естественного и искусственного происхождения (нано– и микроуровня) называются «геомодификаторами», «геоактиваторами», «ремонтновосстановительными составами» (РВС-технология) или «ревитализантами». Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, они инициируют процесс формирования на трущихся поверхностях металлокерамической наноразмерной структуры с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.

Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.

Серпентины – группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах. Все серпентины – зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом.

Формула серпентина – Mg6[Si4O10](OH)8, или зMg02Si022H20, или (Мg0Н)6Si40llН20. Компонентный состав серпентина:

МgО – 43 %, SiO2 – 44 %, Н2О – 12,1-12,9 % (в серпентине содержится около 13 % конституционной воды; конституционная вода представлена в минералах ионами гидроксила (ОН)- и в единичных случаях ионами Н+, располагающимися в узлах кристаллической решетки). Эта вода прочно удерживается минералами при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300-1300 °C. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.

Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится в минералах (например, в гипсе – Ca(SO)42H2O) в виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противо-износный эффект от вводимого серпентина в смазочную среду возникает в зависимости от количества кристаллизационной воды, является несостоятельным.