Новые подходы к описанию параметров процесса трения и износа на базе удельных энергетических характеристик веществ и практические данные по применению минеральных материалов природного происхождения в парах трения.

Акад. РАЕН д.г-м.н В.В. Зуев

ОАО «Механобр-инжениринг»

Инж. С.Ю. Лазарев

Военно-морская академия им Н.Г. Кузнецова.

Инж. А.Н. Холин

ЗАО «НПЦ Геоэнергетика»

Санкт-Петербург

И.А. Лушников

С.В. Чендырин

А.А. Степанкин

НПФ «Сервиспром»

г.Дзержинск

Ассоциация разработчиков «Геоэнергетика»

Основной проблемой в машиностроении, как известно, является проблема изнашивания технических средств. На устранение последствий (включая аварии) процесса изнашивания в промышленно развитых странах тратится, согласно мировой статистике, около 30% валового внутреннего продукта. Естественно, что борьба с износом машин является, по сути, одним из главных направлений в развитии машиностроения вообще. Понятно, что принципиальное решение данной проблемы может вызвать серьёзные изменения в экономике любой страны ввиду высвобождения весьма значительных средств и ресурсов. Главными направлениями в решении этой задачи для весьма широкого круга механических систем являются: поиск новых материалов, формирование на поверхностях деталей покрытий, обладающих антифрикционными свойствами, поиск методов обработки поверхностей, повышающих антифрикционные свойства.

Одно из таких направлений, дающее существенный результат – применение в поверхностном слое деталей, составляющих пару трения, минеральных материалов природного происхождения. Основные идеи, положенные в основу применения минералов в технике сформулированы В.И. Вернадским и А.Е. Ферсманом в первой половине 20-го века. Уже в 30-е годы минералы в виде коллоидных растворов применялись в авиации и артиллерийских системах, существенно повышая их надёжность.

Со второй половине 60-х годов, в связи с развитием космонавтики, атомной промышленности, минеральные материалы начали применяться для обеспечения надёжности механизмов и узлов, работавших в экстремальных условиях в закрытой тематике. Начало открытых публикаций по данной тематике и работ в гражданских отраслях было положено Ташкентской конференцией по триботехнике 1975 года. С этого времени проблемой минеральных материалов стали заниматься несколько отраслевых и научных институтов в Ленинграде и Москве. Нарабатывался опыт применения минералов в различных видах машин и механизмов. В середине 80-х годов работы по применению природных материалов в технике были удостоены медалей и дипломов на ВДНХ. Головным в этих работах был Ленинградский институт авиационного приборостроения (ныне ГУАП).

27 марта 1987 года было издано Постановление Совета Министров СССР №359 "О мерах широкого использования эффекта безызносности в народном хозяйстве на новом качественном технико-экономическом уровне". В конце 80-х годов были развёрнуты работы по испытанию технологий на различных группах техники на крупных предприятиях. Работы проводились на горно-шахтном оборудовании (Институт горного дела им. И.Г. Скочинского); на строительно-дорожной технике; на транспортных средствах – трамваи, метрополитен, двигатели внутреннего сгорания (Военно-морская академия им. Н.Г. Кузнецова) и т.д.

В 90-х годах основной костяк сложившегося ранее комплексного коллектива продолжал работы по данной тематике. На Международных салонах промышленной собственности «Архимед» в 2002 году разработка «Технология минеральных покрытий» была награждена Дипломом, в 2003 году разработка «Машины с аномально низким трением» серебряной медалью. Научное направление, изучающее применение минералов в технических целях, названо его авторами «Геоэнергетика».

Результаты применения минералов в качестве тонкослойных покрытий на деталях пар трения основных существующих в технике групп машин и механизмов, полученные за последние 12 – 15 лет, показали, что с применением данного метода механические системы выходят на качественно новый уровень, резко, в некоторых случаях в 20 – 30 раз, снижая величину механических потерь и интенсивность изнашивания узлов. При формировании минеральных покрытий на сегодняшний день применяют около 80 видов минеральных материалов, под конкретные условия.

Некоторые типовые механизмы и машины после применения в них минеральных материалов выглядят следующим образом:

• механический КПД автомобильного двигателя в целом увеличивается с 0,74-0,83 до 0,98-0,99; межремонтные периоды увеличиваются в 4-5 раз; потребление смазочных масел снижается минимум в 2-3 раза; двигатель получает возможность работать без подвода смазки, имея лишь тонкую плёнку масла на поверхности трущихся деталей [15-16]. Проводился успешный опытный пробег двигателя на расстоянии в 1200 км с использованием воды вместо смазочного масла;

• воздушные компрессоры получают механический кпд 0,98-0,99 и могут работать без смазки поршневой группы по 3000 – 4000 часов [5];

• турбокомпрессоры большой мощности (10 МВт) уменьшают свои механические потери с 10% до 1-2% и объём необходимых регламентных работ у них сокращается в 2,5 раза [3, 5];

• зубчатые передачи снижают интенсивность изнашивания в 40-60 раз и работают без смазки по 1,5 – 2 года[3];

• трудоёмкость изготовления отдельных деталей, например, по опыту Калужского турбинного завода и других предприятий, снижается в 5 раз при улучшении их триботехнических характеристик[19, 20];

• станочный парк снижает энергопотребление в среднем на 15%, появляется возможность восстановления изношенных узлов без вывода станков из эксплуатации [4, 17, 18, 23];

• В целом же на предприятии годовой экономический эффект от применения минеральных покрытий составляет до 12% стоимости техники, на которой они применяются.
  

Таким образом, практика применения минеральных покрытий за последние 15 лет показывает, что задача принципиального снижения механических потерь и износа общепромышленной техники решается при применении минеральных материалов природного происхождения. При этом механический коэффициент полезного действия машины целиком на уровне 0,97-0,99 становится нормальным явлением для широкой группы механических систем: от ДВС и компрессоров до станков, прокатных станов, грузоподъёмного оборудования – со всеми вытекающими из этого экономическими последствиями.

Как указывалось выше, в качестве материалов для покрытий применяется широкий перечень минералов: от алмазов и полудрагоценных камней, до минералов, добываемых из отвалов пород горнообогатительных комбинатов. Поэтому можно уже говорить о целом классе новых конструкционных материалов – природных минералах.

Этот класс материалов отличается от традиционно применяемых триботехнических материалов своими специфическими свойствами, в частности, иными соотношениями механических характеристик, например, твёрдости и временного сопротивления.

Кроме того, разброс вещественного состава минеральных материалов гораздо более широк, нежели, например, в сталях и сплавах. Если в последних содержание компонентов колеблется в пределах ± 0,1 - 2%, то у минералов это расхождение может достигать ±12%.

Все эти обстоятельства и вызывают необходимость применения новых подходов к описанию и предсказанию свойств минеральных материалов, в том числе и трибологических, при различных видах воздействия на них.

Такие новые подходы строятся на базе удельных энергетических параметров вещества [6, 7, 10 - 14], в частности, параметра удельной энергии атомизации вещества. При этом удельная энергия атомизации вещества, иначе – энергоплотность, вещества [6] E_v? – определяется как работа, необходимая для разложения единицы объёма вещества на отдельные атомы, - суть параметр идеальной структуры вещества – такой структуры, у которой отсутствуют все внутренние дефекты. Объёмная энергоплотность при этом вычисляется для каждой структурной фазы данного вещества.

По величине объёмной энергоплотности все существующие вещества можно подразделить на 6 групп, причём традиционные материалы, применяемые в триботехнике, располагаются в группах средне и низкоэнергоплотных веществ (10-60 кДж/см³), а природные минералы, дающие значительный триботехнический эффект – в три высшие группы (80 – 230 кДж/см³).

В ряде теорий трения, в частности, молекулярно-механической, оперируют механическими характеристиками веществ, такими, как предел текучести и временного сопротивления, модуль упругости и т.д.. Возможность оценивать изменение механических характеристик веществ в зависимости от прилагаемого к ним давления или теплового воздействия представляет практический интерес, поскольку в парах трения рабочие воздействия изменяют свойства поверхностных слоёв материала.

Оценку свойств материала в слоях можно производить по уравнениям существования вещества [22]. Для оценки текущего состояния вещества вводится коэффициент дефектности вещества [8].

При этом дефектность реальной структуры вещества определяется по отношению к условной дефектности структуры с одним дефектом как отношение объёмов полученных отпечатков при измерении твёрдости стандартным методом. Параметр дефектности, названный коэффициентом дефектности, определяется как: К_д = (HV_i/ HV_р)^3/2. HV_р –твёрдость реального вещества при данной его структурной фазе; HV_i = 0,3091 E_v? - твёрдость структуры с одним точечным дефектом, принимаемой за идеальную. Коэффициенты дефектности можно определять тремя способами: по отношению к идеальной структуре собственной фазы, высшей фазы формульного ряда и высшей фазы самого твёрдого известного вещества – восьмивалентного «атомного» железа. При этом коэффициент дефектности веществ будет называться фазовым, относительным и абсолютным [8], соответственно.

Объёмная энергоплотность является параметром идеальной структуры вещества. Она определяется расчётом, в котором дефекты структуры не фигурируют. Поэтому, на основании закона Гука можно вывести следующее соотношение, связывающее временное сопротивление, объёмную энергоплотность и модуль упругости идеальных структур. При этом модуль упругости является усреднённой величиной по объёму материала.

?_ви = (2 E_v? Е_и)^1/2 (1)

При анализе механических характеристик широкого круга искусственных и природных веществ выявлено, что соотношение ?_ви = Е_и = 2 E_v? , получаемое из (1) с некоторым приближением выполняется для реальных веществ.

Анализ более, чем 1000 веществ показал, что изменения характеристик веществ между точками возникновения консолидированного тела и идеальной структуры под барическими или термическими воздействиями происходят по уравнениям:

?_ви = ?_в К_д^п и п = d K^p (2)

где ?_в – временное сопротивление реального вещества; d и р – постоянные коэффициенты.

При этом анализ показывает, что изменения показателей степени «п» в зависимости от дефектности структуры для искусственно получаемых материалов, сталей, чугунов, цветных сплавов и для минералов происходят по двум разным кривым. Это обстоятельство в очередной раз демонстрирует разницу между этими классами материалов. При этом параметр твёрдости выступает как характеристика текущего состояния данного вещества.

Аналогичные зависимости наблюдаются в изменениях предела текучести и упругости, а также предела прочности на срез. Эти зависимости названы уравнениями существования веществ. В этих уравнениях коэффициент дефектности характеризует степень несовершенства вещества, а параметр «п» – состояние электронной оболочки атомов вещества. Практически уравнения существования вещества позволяют определить его текущие механические характеристики по измерению твёрдости, что удобно для тонких слоёв материала. Уравнения (2) носят в известном смысле идеализированный характер. Можно построить такие уравнения как для одной структурной фазы данного вещества, так и для всего формульного ряда. При этом используются фазовый или относительный коэффициенты дефектности. Уравнения существования распространяются также и на область пористых тел.

Для оценки изменения параметров веществ в пределах каждой структурной фазы могут применяться уравнения зависимости плотности от давления, полученные из известного уравнения Морзе:

p/p_{1 =1/{1-0,2732} ln[1+(P/E_??)^1/2 ]}³ – K_с(P/E_??)^1/2

К_с = (1/A - _pH2/pH1)[Evy/(p₂-p₁)]^1/2 (3)

Где параметр А = {1-0,2732ln[1+ ((p₂-p₁)/Evy)^1/2]}³

Коэффициент К_с вычисляется для каждого структурного интервала данного вещества по значениям рентгеновской плотности двух соседних фаз (_pH2 и _pH1), которые приняты за плотности идеальных структур, и абсолютным давлениям в точках соседних фазовых переходов (p₂-p₁), которые определяются по экспериментальным данным. В качестве объёмной энергоплотности принимается параметр изучаемой фазы.

На основе анализа экспериментальных данных выявлено, что в случае объёмного сжатия без нагрева параметр давления в приведённых уравнениях может быть заменён параметром твёрдости вещества, что вполне объяснимо исходя из соответствующего закона Ньютона. При этой замене становится возможным получить математическую связь между текущей плотностью вещества и его временным сопротивлением.

Сравнение величин плотности, определённых расчётом по уравнению (3) и экспериментальных данных показало, что расхождения составляют в основном не более 3%.

Уравнения (2) и (3) соблюдаются и для пористой фазы существования веществ.

Выявленные зависимости, таким образом, могут облегчить предсказание многих параметров веществ в их текущем состоянии при наличии различных величин воздействия на вещество.

В качестве практических приложений коэффициентов дефектности можно привести оценку с их помощью качества методов формирования плёнок и покрытий [2].

Существует множество различных способов формирования покрытий и применяется широкий спектр различных материалов [1]. Недостатком многих способов формирования поверхностных слоёв является ухудшение характеристик материала в слое по сравнению с материалом в исходном состоянии, или природными аналогами. Для оценки изменения свойств использовано отношение коэффициентов дефектности одного материала до нанесения покрытия и в слое, названное коэффициентом изменения свойств.

Расчёты, выполненные авторами [2], показывают, что коэффициент изменения свойств материалов для многих известных способов лежит в среднем в интервале 0,35-0,80. То есть свойства материалов в большинстве своём ухудшаются. Хотя существуют и способы нанесения покрытий, при которых свойства материала в слое могут быть улучшены по сравнению с его исходным состоянием. Одним из таких способов как раз и является способ с использованием минеральных материалов природного происхождения. При этом коэффициент изменения свойств находится в пределах 1,2 – 2,4.

На сегодняшний день можно констатировать, что трибология до сих пор не решила одной из главных своих задач: создания общей теории, позволяющей аналитически оценивать величины коэффициентов трения и износа для целых классов материалов, например, для кристаллических материалов. Существуют лишь полуэмпирические зависимости разного рода для отдельных частных случаев.

В этой ситуации на наш взгляд целесообразно рассматривать условия, при которых сопротивление трению может быть минимизировано и по ним подбирать соответствующие материалы. Энергетические параметры вещества дают возможность для построения простых критериев оценки составляющих процесса трения.

В последнее время в оценке процесса трения начинают преобладать энергетические подходы. Следует отметить, что механические характеристики вещества, такие как временное сопротивление, есть энергетические параметры. Временное сопротивление материала, например, определяет работу (энергию), поглощённую некоторым объёмом вещества и приведшую к разрыву образца. Отсюда следует, что молекулярно-механическая теория трения является энергетической теорией, так как оперирует параметрами, характеризующими различные величины энергии при воздействиях на материал. В этой теории также сформулированы несколько критериев, позволяющих оценивать различные материалы. Это известные критерии перехода от упругой деформации к пластическому оттеснению, микрорезанию. Различия в минеральных материалах и традиционных материалах по этим критериям прослеживаются достаточно полно.

На триботехнические параметры пары трения в большой степени влияют адгезионные силы, образующиеся в зоне контакта двух тел под нагрузкой. Также из функции Морзе на базе объёмных энергетических характеристик веществ выводится [9] параметр, характеризующий адгезионную способность веществ и названный адгезионным числом – А_р = E_v? /К_д ?_в. Адгезионное число характеризует отношение полной энергии образования связей в единичном объёме реального вещества к энергии, необходимой для достижения временного сопротивления вещества при растяжении. Существует весьма заметная дифференциация веществ по данному параметру. Для бронз величина А_р составляет от 1,5 до 4,5; для сталей – от 4,2 до 5,9; для серых чугунов – от 20 до 7,5; для металлокерамических сплавов – от 19,5 до 65; а для минералов – от 1,1 до 3900. Адгезионное число тех минералов, которые дают наибольший эффект, колеблется от 450 до 3900. Наблюдается также корреляция адгезионного числа с коэффициентами трения для различных материалов, полученными в условиях пластического контакта. При этом появляется возможность предварительной оценки коэффициентов трения в паре по данному параметру. Факт снижения коэффициентов трения при применении минеральных покрытий в парах получает численное выражение.

Ещё одним параметром, на базе которого можно создать критерий подбора материалов для триботехнических задач, является параметр поверхностной энергии. Этот параметр в настоящее время широко используется для оценки триботехнических свойств, производя соответствующие измерения материалов.

Существуют и расчётные методы определения поверхностной энергии веществ, три из которых предложены В.В. Зуевым.

Если для случая пластического контакта , когда площадь контакта выражается отношением нагрузки и твёрдости, определить произведение поверхностной энергии на площадь контакта, то получим параметр, названный удельной работой разрыва адгезионных связей в плоскости. Удобно привести его к единичной силе, тогда этот критерий равен отношению поверхностной энергии к твёрдости вещества и его размерность – МН м – размерность работы или энергии.

Данный критерий также достаточно информативен. Для свинца он равен (62,7-170,9) 10^-4, для олова – 42,5 10^-4 , для алюминия – (10,7-41,9) 10^-4 , для железа – (11,4-4,2) 10^-4. Для минералов, дающих триботехнический эффект , величины этого параметра находятся в пределах (1,05-1,68) 10^-4

Отсюда наглядно видно, почему именно минеральные материалы обеспечивают резкое снижение сил трения в механизмах.

В этом коротком докладе не затронуты многие важные проблемы: виды поверхностной обработки и способы формирования покрытий, вопросы регулируемого рельефа поверхности, которые также влияют на триботехнические характеристики.

Однако в случае минеральных материалов значительную долю эффекта снижения трения и износа дают специфические механические характеристики этих материалов и строение их электронных оболочек. И новые подходы к оценке параметров веществ позволяют наглядно и в числах продемонстрировать разницу между традиционными и минеральными материалами.

Теперь, когда в принципе найден и испытан метод кардинального снижения износа рядовых механизмов, встаёт вопрос о дальнейших задачах.

Задачи эти ясны:

-налаживание производства механических систем с аномально низким трением любого назначения;

-создание пар трения, способных работать без смазки по несколько лет в жёстких условиях эксплуатации;

Метод для решения этих задач мы уже имеем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хокинг М., Васантасри В., Сидки П. Металлические и керамические покрытия. – М.: Мир, 2000. – 518с.

2. Лазарев С.Ю. К вопросу о критериях качества защитных плёнок и покрытий. //Металлообработка, 2002, №2(8). - С. 22-26.

3. Лазарев С.Ю., Зуев В.В., Холин А.Н. Повышение надёжности оборудования горнорудных предприятий за счёт геоактивации пар трения.//Обогащение руд. – 2000. - №4. – с. 39-42.

4. Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю. О некоторых результатах повышения эксплуатационных параметров станочного оборудования при использовании ультразвука и минеральных покрытий пар трения. //Металлообработка. – 2002. - №2(8) – с. 43-44.

5. Лазарев С.Ю. Компрессоры с аномально низким трением.//Металлообработка. – 2002. - №5(11). – с.37-44.

6. Зуев В.В. Энергоплотность, свойства минералов и энергетическое строение Земли. – СПб.: Наука, 1995. – 128с.

7. Зуев В.В., Лазарев С.Ю. Новые энергетические подходы к описанию (предсказанию) физико-химических свойств минералов и других твёрдых тел. //Металлообработка. – 2002. - №4(10). – с. 31-34.

8. Зуев В.В., Лазарев С.Ю. Оценка дефектности минералов и других твёрдых тел по критериям твёрдости и энергоплотности. //Обогащение руд. – 1999. - №5. – с. 18-22.

9. Лазарев С.Ю. Новая методика количественной оценки адгезионной способности минералов и других твёрдых тел.//Обогащение руд. – 2001. - №6. – с. 13-17.

10. Зуев В.В. Возможно ли вещество твёрже алмаза? Обогащение руд. 1997 №1 с.30-34.

11. Зуев В.В. и др. Закономерности изменения физических параметров кристаллических веществ с трёхмерным (координационным) типом структуры в зависимости от их энергоплотности. Открытие №73.

12. Зуев В.В. и др. Закономерности изменения физических параметров кристаллического вещества от удельной энергии его кристаллической решётки. Открытие №117.

13. Зуев В.В. и др. Закономерная связь величин, характеризующих физические свойства кристаллических твёрдых тел, с величинами удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов. Открытие №204.

14. Зуев В.В., Денисов Г.А., Мочалов Н.А., Николайчук В.Ф., Щербатов А.И., Зуев Н.В. Энергоплотность, как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. М. ПолиМЕдиа. 2000, 350с.

15. Лавров Ю.Г, Половинкин В.Н. Повышение износостойкости деталей дизелей на основе геотрибоэнергетики. «Двигателестроение»1994г №5, 41 с.

16. Аратский П.Б., Лавров Ю.Г., Шабанов А.Ю. Сравнительные исследования влияния присадок к смазочным маслам на показатели трения и износа узлов ДВС. Двигателестроение №2, 1999, с.30.

17. Половинкин В.Н., Лавров Ю.Г., Аратский П.Б. Применение геомодификаторов трения для восстановления изношенных поверхностей узлов трения при эксплуатации. Материалы международного научно-практического симпозиума «Славянтрибо-5. Наземная и аэрокосмическая трибология-2000. Проблемы и достижения.» СПб 26-30.06.2000 с.289.

18. Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю. О возможности использования геоминералов и ультразвука в станкостроении.//Технология ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 4-й Всероссийской практической конференции 16 – 18 апреля 2002 г. с.246-249.

19. Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю., Кислов В.Г. Опыт освоения технологии минеральных покрытий на Калужском турбинном заводе. //Металлообработка. 2003.№1. с.44-46.

20. Холопов Ю.В., Лазарев С.Ю., Митрофанов Е.А. Экспериментальные исследования влияния минеральных покрытий и ультразвуковой обработки на снижение коэффициентов трения в деталях крупных турбин.// Металлообработка. 2002г. №6.с.39-42.

21. Лазарев С.Ю. Оценка свойств веществ по критериям поверхностной энергии и твёрдости.// Металлообработка 2003 №2. с.38-42.

22. Катков М.С., Лазарев С.Ю. Метод оценки механических и триботехнических параметров веществ по твёрдости поверхностных слоёв образцов, применительно к технологии минеральных покрытий. Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Качество поверхностного слоя деталей машин (КПС-2003)» 24-28.06.2003г. с.94-97.

23. Лазарев С.Ю. Применение технологии минеральных покрытий при ремонте и модернизации металлообрабатывающего оборудования. //Металлообработка. №3. 2003. С.46-47. Тезисы докл. семинара «Ремонт и модернизация металлообрабатывающего оборудования» 18-20 февраля 2003г.