Использование наноматериалов, наноалмазов с целью повышения долговечности и надежности различных машин и механизмов

На сегодняшний день автотракторный парк и производственное оборудование предприятий сильно изношены, а многие механизмы превысили свой ресурс в два и более раза. Финансовые же возможности предприятий не позволяют проведение его обновления в короткий срок. Все более актуальными  становятся задачи снижения энергопотребления.

Таким образом, повышение межремонтного ресурса машин и механизмов,  снижение расхода горюче-смазочных материалов и энергоносителей являются одними из важнейших задач настоящего времени.

Одним из способов решения этих задач является повышение качества смазочных материалов путем введения в базовые смазочные материалы различного рода добавок – присадок и напол­нителей.

В жестких условиях эксплуатации, характерных для большей части современных машин, наличия маслорастворимых присадок в смазочных материалах, как жидких, так и пластичных, часто недостаточно для образования и сохранения прочного и устойчивого граничного слоя, который в течение длительного времени надежно исключал бы металличе­ский контакт между поверхностями трибосопряжений.

Достаточно универсальным, высокоэффективным и экономичным способом улучше­ния работы узлов трения (трибосопряжений), практически при всех условиях эксплуатации машин, в том числе тяжелонагруженных и энергонапряженных, является применение в смазочных материалах высокодис­персных твердых добавок (наполнителей).

Такие добавки многофункциональны, поэтому их все шире применяют для улучше­ния антифрикционных, противоизносных, противозадирных и некоторых других свойств масел. По сравнению с присадками их отрицательное влияние на физико-химические свойства масел минимально.

Преимущества высокодисперсных наполнителей сохраняются как при низких, так и при высоких температурах. Неоспоримое их достоинство — положительное воздействие на состояние поверхностей трения, граничного и смазочного слоев. Для улучшения качества смазочных материалов и работы трибосопряжений обычно применяют одну высокодисперсную добавку, реже — двух видов. Но и в этих случаях удается заметно сократить, а иногда и отказаться от применения многих маслорастворимых присадок.

Наибольшее распространение в качестве твердых добавок получили слоистые наполни­тели кристаллической структуры: графит, дисульфид молибдена, нитрид бора. Реже приме­няют слюду, сажу, некоторые высокодисперсные порошки металлов, их оксидов и солей — сульфидов, селенидов, иодидов и некоторых других соединений с частицами размером 1— 20 мкм. В ряде случаев наполнители имеют атомарное строение (высокодисперсные порошки металлов) или аморфную структуру (силикаты и полимеры).

Новые возможности в создании смазочных материалов с улучшенными свойствами открывает применение ультрадисперсных порошков с частицами размером 10—100 нм и удельной поверхностью до 450 м^?/г.

Наноалмазы, обладая комплексом уникальных свойств, отличающих их от известных наполнителей, лучше всего подходят для решения этих задач. Они имеет сверхмалые размеры (2–10 нм), форму, близкую к сферической, и  обладают очень большой удельной поверхностью (до 450 м?/ г) и высокой поверхностной энергией.

Частицы наноалмазов имеют сложную структуру: ядро из классического кубического алмаза и углеродную оболочку вокруг ядра. Эта оболочка, состоящая из sp?- гибридизированных атомов углерода, неоднородна по степени упорядоченности структурных фрагментов. Поверхностный слой, включающий  атомы углерода, насыщен широким спектром разнообразных функциональных групп. При этом неалмазные компоненты наноалмазов являются не примесями, а органическими составляющими продукта, в значительной степени определяющими комплекс его специфических свойств.

Сверхмалые размеры наноалмазов приводят к тому, что роль межфазных взаимодействий чрезвычайно возрастает. Наличие на поверхности высокополярных и реакционноспособных групп, сосредоточенных в малом объеме, определяет высокую активность воздействия частиц на окружающую среду.

Таким образом, наноалмазы, в отличие от обычных мелкодисперсных порошков- наполнителей являются не наполнителем, а структурообразующим материалом.

В присутствии наноалмаза существен­но изменяются и свойства смазочной пленки и характер взаимодействия поверхностей трения. В зависимости от назначения, концентрации и степени диспергирования конгломератов чис­ло частиц наноалмаза со сред­ним размером 50 нм в 1 см? объема смазочного материала (СМ) может достигать: ~1,5?10?? для 1%-ной суспензии. Для сравнения: при 1%-ной кон­центрации графита или дисульфида мо­либдена с частицами размером 0,5—1,5 мкм число последних в 1 см? объема смазочного материала составляет ~1,9?10⁴. В зазоре 10 мкм число частиц наноалмаза на площади тре­ния в 1 см² может составлять от ~1,5?10?° (для 1%-ной суспензии).

Для такого зазора общая площадь проекции частиц на поверхность тре­ния в 1см? составляет ~3см?, меж­фазная поверхность в подобной дисперсной системе ~ 1,2 м? на 1 см? объема СМ.

Такое число малых частиц в зоне трибосопряжения более надежно разделяет поверхности трения: практически исчезают адгезионные явления, и увеличивается прочность смазочной пленки.

Наноалмазы улучшают физико-механические свойства гидродинамических пленок масел, в структуре которых они находятся, благодаря двум основополагающим свойствам – малому размеру (высокой удельной поверхности и степени дисперсности в среде)  и высокой поверхностной энергии.  

Наноалмазные частицы, обладаю­щие определенной режущей способно­стью в режиме субмикрорезания, иг­рают особо активную роль в процессе приработки и «залечивания» микроде­фектов сопрягаемых поверхностей, в том числе вновь образованных. Этот процесс практически заканчивается при достижении определенной фактической площади контакта, при которой реализуется полужидкостный или жидкостный режим смазывания.

Кроме того, наличие большого числа малых частиц наноалмаза и соизмеримых с ними частиц изнаши­вания приводит к  упрочнению поверхностного слоя, заполнению микровпадин рельефа, образованию замкнутых жидкокристаллических образований, что также увеличивает несущую способность сопряжений.

Анализ подобных систем показы­вает возможность более активного уп­равления качеством работы таких трибосопряжений. Представляется возмож­ным изменять концентрацию малых частиц, соотношение аморфного наноуглерода  и алмаза предельной твердости, вязкость смазочных жидко­стей, а также использовать пленкообразующие активные вещества. В результате можно решать весь спектр задач, связанных с минимизацией тре­ния и износа в сопряжениях деталях машин и систем. Кроме того, наноалмаз представляет собой мощный радикал-донор, способный гасить интенсивные процессы окисления масла, поэтому срок службы смазочных материалов с наноалмазами значительно повышается, например, внесением наноалмазов в моторное масло срок его службы в двигателе можно продлить в 2-3 раза.

На основании такого подхода в ООО НПП «SINTA» разработано несколько групп материалов и организовано их опытно-промышленное производство.

Для смазочных материалов различ­ного назначения разработана серия много­функциональных алмазосодержащих и алмазокомпозитных добавок под торговым наименованием «Формула АВ» по ТУ У 24.6-31234143-001-2001.

Эти добавки могут выполнять функции, как защитно-восстановительного характера, так и ремонтно-восстановительного. Если ряд защитно-восстановительных добавок использует уникальные свойства наноалмаза в смазочных материалах, то серия ремонтно-восстановительных добавок имеет в своем составе не только модифицированные наноалмазы, но и пленкообразующие ингредиенты, полученные в результате многоступенчатого химического синтеза. Применение данных материалов характеризуется ремонтно-восстановительным эффектом вследствие формирования защитного антифрикционного износоустойчивого композиционного покрытия, модифицированного наноалмазами.

Сравнивая синтезированные пленкообразующие компоненты, которые используются в  добавках с ремонтно-восстановительными свойствами с серпентинитами, широко применяемыми в настоящее время, можно выделить несколько положительных отличий:

1. Полный контроль химического состава и возможность управления свойствами защитного покрытия (микротвердость, вязкость и т.д.) в зависимости от потребности, посредством включения в состав композита тех, или иных легирующих добавок.
2. Полное отсутствие соединений серы, присутствующей практически во всех видах минерального сырья.
3. Отсутствие необходимости использования в качестве катализатора микроабразивных добавок (шунгита и др.).
4. Более низкий температурный интервал формирования антифрикционного покрытия, благодаря более дисперсному составу композита (2 – 50 нм – наноалмазы и до 0,5 мкм пленкоформирующие ингредиенты).

Наибольший эффект от применения алмазсодержащих трибосоставов, получаемого в режиме наи­более экономичного и высокопроизво­дительного накопления, может быть достигнут в материалах и продукции, используемых в основных отраслях мас­сового производства в машинострое­нии, при эксплуатации производствен­ного и технологического оборудования, в автотранспортной, сельскохозяй­ственной, горнодобывающей  и другой технике, в том числе при эк­стремальных условиях – пониженных и повышенных температурах, увеличен­ных силовых и скоростных нагрузках.

Разработанные трибосоставы достаточно эффективны в моторных маслах для двигателей внутреннего сгорания. Добавка заметно улуч­шает антифрикционные, противоизносные и противозадирные свойства моторного масла, не снижая их термоокислительную стабильность и не повышая коррозионную агрессивность по отно­шению к цветным металлам и сплавам. Масла с такой добавкой рекомендуются как для всех режи­мов обкатки, приработки так и эксплуа­тации новых, изношенных и отре­монтированных двигателей внутреннего сгорания.

Применение алмазосодержащих добавок в широко используемых ин­дустриальных и трансмиссионных мас­лах, работающих в широком диапазо­не нагрузок, скоростей и температур, обеспечивает улучшение не только сма­зочных свойств этих масел, но и каче­ство поверхностей трения благодаря их постоянной приработке и упрочнению.

Значительно сокращается примене­ние серо-, хлор-, фосфор- и фторсодержащих компонентов.

Результаты лабора­торных и производственных испытаний показали, что масла с наноалмазом значительно умень­шают коэффициент трения, износ поверхностей трения, улучшают плавность перемещения узлов, снижают шум передач.

В пластичных смазках ультрадиспер­сные алмазы, вводимые в составе базово­го масла непосредственно или через промежуточную среду, могут в зави­симости от применяемой технологии участвовать в формировании их структурного каркаса. Подобные смаз­ки с наноалмазами значительно снижают износ  и коэффициент трения, увеличивают несущую способность сопряжений.

Высока и экономическая эффектив­ность смазочных материалов с добавками наноалмазов. Например, их при­менение в автомобильных моторных мас­лах полностью окупается в первые 1-1,5 тыс. км пробега только за счет экономии топлива и за 150-250 км пробега за счет увеличения ресурса деталей ЦПГ.

Системный контроль состава и качества синтезируемого сырья для производства алмазосодержащих трибосоставов позволил включить в систему контроля качества готовой продукции ряд важных трибологических параметров.

Наша продукция является редким исключением, в сертификате соответствия на которую контролируются такие важные параметры, как уменьшение коэффициента трения и снижение скорости износа, гарантированные ТУ У 24.6-31234143-001-2001.

 Практическое применение наноматериалов и продукции на их основе, в частности с наноалмазами, нашло место  на ряде промышленных предприятий Украины:

ЗАО «Никопольский завод нержавеющих труб», ОАО «Мотор Сич», НЭК «Укрэнерго», ГП научно-производственное объединение «Форт», Криворожский Центральный ГОК, Донецкий металлургический завод, шахта «Комсомолец», Алчевский металлургический комбинат, Харьковский авторемонтный завод, Ильичевский порт, Харьковский мясокомбинат, ОАО «Южкабель», Полтавский турбомеханический завод, ОАО «Днепротяжмаш», Днепродзержинский металлургический комбинат и многие другие предприятия.

Наши партнеры:

ИМиС (Институт машин и систем), НИТИ ХГТУСХ (Научно-исследовательский технологический институт  Харьковского государственного технического университета сельского хозяйства), ХНАДУ «ХАДИ» (Харьковский национальный автодорожный университет), ХНАУ «ХАИ» (Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е.Жуковского), ХНУ (Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина), ХНТУ «ХПИ» (Харьковский национальный технический университет), лаборатория износостойкости  ГП «Завод им. Малышева», Государственный НИИ крупногабаритных шин и другие институты.