Сухая смазка

Сухие смазочные материалы или твердые смазочные материалы — это материалы, которые, несмотря на то, что находятся в твердой фазе, способны уменьшать трение между двумя поверхностями, скользящими друг против друга, без необходимости использования жидкой масляной среды. ^[1]

Двумя основными сухими смазками являются графит и дисульфид молибдена . Они обеспечивают смазку при температурах выше, чем работают жидкие и масляные смазочные материалы. Сухие смазочные материалы часто используются в таких устройствах, как замки или подшипники с сухой смазкой. Такие материалы могут работать до 350 °С (662 °F) в окислительных средах и еще выше в восстановительных/неокислительных средах (дисульфид молибдена до 1100 °С, 2012 °F). Характеристики низкого трения большинства сухих смазочных материалов объясняются слоистой структурой на молекулярном уровне со слабой связью между слоями. Такие слои способны скользить друг относительно друга с минимальной приложенной силой, что придает им свойства низкого трения.

Однако одной слоистой кристаллической структуры не обязательно достаточно для смазки. Фактически, существуют твердые вещества с непластинчатой структурой, которые в некоторых случаях хорошо функционируют в качестве сухих смазок. К ним относятся некоторые мягкие металлы ( индий , свинец , серебро , олово ), политетрафторэтилен редкоземельных элементов , некоторые твердые оксиды, фториды и даже алмаз . ^[2]

Ограниченный интерес был проявлен к свойствам низкого трения слоев уплотненной оксидной глазури, образующихся при температуре несколько сотен градусов Цельсия в металлических скользящих системах. Однако до практического использования еще предстоит пройти много лет из-за их физически нестабильной природы.

Четыре наиболее часто используемых твердых смазочных материала:

Графит. Используется в воздушных компрессорах , пищевой промышленности, соединениях железнодорожных путей, латунных приборных клапанах, механизмах фортепиано , открытых передачах, шарикоподшипниках , механических цехах и т. д. Также очень распространен для смазки замков , поскольку жидкая смазка позволяет частицам застревать. в замке, что усугубляет проблему. Его часто используют для смазки внутренних движущихся частей огнестрельного оружия в песчаных средах.
Дисульфид молибдена (MoS ₂ ). Применяется в ШРУСах и космических кораблях. ^[3] Смазывает в вакууме.
Шестиугольный нитрид бора . Используется в космических кораблях. Также называется «белым графитом».
Дисульфид вольфрама . Используется аналогично дисульфиду молибдена, но из-за высокой стоимости его можно найти только в некоторых подшипниках с сухой смазкой.

Графит и дисульфид молибдена являются преобладающими материалами, используемыми в качестве сухих смазок.

Связь структура-функция

Смазывающая способность многих твердых тел обусловлена пластинчатой структурой. Ламели ориентированы параллельно поверхности в направлении движения и легко скользят друг по другу, что приводит к низкому трению и предотвращает контакт между скользящими компонентами даже при высоких нагрузках. Крупные частицы лучше всего работают на шероховатых поверхностях на низкой скорости, более мелкие — на более гладких поверхностях и на более высоких скоростях. Эти материалы можно добавлять в виде сухого порошка в жидкие смазочные материалы для изменения или улучшения их свойств.

Другие компоненты, которые являются полезными твердыми смазочными материалами, включают нитрид бора, политетрафторэтилен (ПТФЭ), тальк, фторид кальция , фторид церия и дисульфид вольфрама.

Приложения

Твердые смазочные материалы полезны в условиях, когда обычные смазочные материалы не подходят, например:

Возвратно-поступательное движение. Типичным применением является скользящее или возвратно-поступательное движение, требующее смазки для минимизации износа, как, например, при смазке зубчатых передач и цепей. Жидкие смазочные материалы выдавятся, а твердые смазочные материалы не вытекут, предотвращая истирание, коррозию и истирание.
Керамика. Другое применение – случаи, когда химически активные присадки к смазочным материалам не найдены для конкретной поверхности, например, полимеры и керамика.
Высокая температура. Графит и MoS ₂ действуют как смазочные материалы при высоких температурах и в окислительной атмосфере, где жидкие смазочные материалы обычно не выдерживают. Типичное применение — это крепеж, который легко затягивается и откручивается после длительного пребывания при высоких температурах.
Экстремальные контактные давления. Ламеллярная структура ориентирована параллельно поверхности скольжения, что приводит к высокой несущей нагрузке в сочетании с низким напряжением сдвига . В большинстве случаев обработки металлов давлением, связанных с пластической деформацией, используются твердые смазочные материалы.

Графит

Графит структурно состоит из плоскостей полициклических атомов углерода, имеющих гексагональную ориентацию. Расстояние атомов углерода между плоскостями больше и, следовательно, связь слабее.

Графит лучше всего подходит для смазки на воздухе. Водяной пар является необходимым компонентом графитовой смазки. Адсорбция воды снижает энергию связи между гексагональными плоскостями графита до более низкого уровня, чем энергия адгезии между подложкой и графитом. Поскольку водяной пар необходим для смазки, графит не эффективен в вакууме. ^[4] Поскольку графит является электропроводным, он может способствовать гальванической коррозии . В окислительной атмосфере графит эффективен при высоких температурах до 450 °C непрерывно и может выдерживать гораздо более высокие температурные пики.

Графит характеризуется двумя основными группами: природными и синтетическими.

Синтетический графит представляет собой продукт высокотемпературного спекания и характеризуется высокой чистотой углерода (99,5-99,9%). Синтетический графит первичного сорта может приближаться к хорошей смазывающей способности качественного природного графита.
Природный графит добывается в горнодобывающей промышленности. Качество природного графита варьируется в зависимости от качества руды и ее обработки после добычи. Конечным продуктом является графит с содержанием углерода (высококачественный графит с содержанием углерода 96-98%), серы, SiO ₂ и золы. Чем выше содержание углерода и степень графитизации (высокая кристалличность), тем лучше смазывающая способность и устойчивость к окислению.

Для применений, где требуется лишь незначительная смазывающая способность и требуется более теплоизолирующее покрытие, следует выбрать аморфный графит (80% углерода).

Дисульфид молибдена

MoS ₂ добывается из некоторых месторождений, богатых сульфидами, и очищается до чистоты, подходящей для смазочных материалов. Как и графит, MoS ₂ имеет гексагональную кристаллическую структуру, присущую легкому сдвигу. Смазочные характеристики MoS ₂ часто превосходят характеристики графита и эффективны также в вакууме, тогда как графит - нет. Температурное ограничение MoS ₂ при 400 °C ограничивается окислением. Размер частиц и толщина пленки являются важными параметрами, которые должны соответствовать шероховатости поверхности подложки. Крупные частицы могут привести к чрезмерному износу из-за истирания, вызванного примесями в MoS ₂ , а мелкие частицы могут привести к ускоренному окислению.

Нитрид бора

Гексагональный нитрид бора представляет собой керамическую порошковую смазку. Наиболее интересной особенностью смазочного материала является его высокая термостойкость — рабочая температура 1200 °C в окислительной атмосфере. Кроме того, нитрид бора обладает высокой теплопроводностью. (Кубический нитрид бора очень тверд и используется в качестве абразивного и режущего инструмента.)

Политетрафторэтилен

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) широко используется в качестве добавки в смазочные масла и смазки. Благодаря низкой поверхностной энергии ПТФЭ можно получить стабильные нефлокулированные дисперсии ПТФЭ в масле или воде. В отличие от других обсуждаемых твердых смазочных материалов, ПТФЭ не имеет слоистой структуры. Макромолекулы ПТФЭ легко скользят друг по другу, образуя пластинчатые структуры. ПТФЭ имеет один из самых маленьких коэффициентов статического и динамического трения — до 0,04. Рабочая температура ограничена примерно 260 °C.

Способы применения

Распыление/погружение/нанесение кистью

Чаще всего используется дисперсия твердой смазки в качестве добавки в масле, воде или жире. На детали, недоступные для смазки после сборки, можно распылить сухую пленочную смазку. После испарения растворителя покрытие отверждается при комнатной температуре с образованием твердой смазки. Пасты – это консистентные смазки, содержащие высокий процент твердых смазочных материалов, используемые для сборки и смазки высоконагруженных, тихоходных деталей. Черные пасты обычно содержат MoS ₂ . Для высоких температур выше 500 °С составляют пасты на основе металлических порошков для защиты металлических деталей от окисления, необходимых для облегчения разборки резьбовых соединений и других узлов. ^{[ нужна ссылка ]}

Бесплатные порошки

Галтовка сухого порошка является эффективным методом нанесения. Соединение можно улучшить путем предварительного фосфатирования подложки. Использование свободных порошков имеет свои ограничения, поскольку адгезия твердых частиц к подложке обычно недостаточна для обеспечения срока службы при непрерывном применении. Однако для улучшения условий приработки или в процессах обработки металлов давлением может быть достаточно кратковременного улучшения условий скольжения. ^{[ нужна ссылка ]}

Антифрикционные покрытия

Антифрикционные (AF) покрытия представляют собой «смазочные краски», состоящие из мелких частиц смазочных пигментов, таких как молидисульфид, ПТФЭ или графит, смешанных со связующим. После нанесения и надлежащего отверждения эти «скользкие» или сухие смазки прилипают к металлической поверхности и образуют темно-серую твердую пленку. Многие смазочные материалы с сухой пленкой содержат специальные ингибиторы коррозии, которые обеспечивают исключительную защиту от коррозии. Большинство износостойких пленок относятся к клеевому типу, но их использование по-прежнему ограничено применениями, где расстояние скольжения не слишком велико. Покрытия AF применяются там, где существует проблема истирания и истирания (например , шлицы , универсальные шарниры и подшипники со шпонками), где рабочее давление превышает несущую способность обычных масел и смазок, где желательна плавная работа (поршень, распределительный вал), там, где требуется чистая работа (покрытия AF не собирают грязь и мусор, такие как смазки и масла), и где детали могут храниться в течение длительного времени. ^[5]

Композиты

Самосмазывающиеся композиты. Твердые смазочные материалы, такие как ПТФЭ, графит, MoS ₂ и некоторые другие антифрикционные и противоизносные присадки, часто добавляются в полимеры и все виды спеченных материалов. MoS ₂ , например, входит в состав материалов для подшипников скольжения, эластомерных уплотнительных колец , угольных щеток и т. д. Твердые смазочные материалы добавляются в пластмассы с образованием «самосмазывающегося» или «смазанного изнутри» термопластичного композита. Например, частицы ПТФЭ, входящие в состав пластика, образуют пленку ПТФЭ на сопрягаемой поверхности, что приводит к снижению трения и износа. MoS ₂ в составе нейлона снижает износ, трение и прерывистое скольжение. Кроме того, он действует как зародышеобразователь, создавая очень тонкую кристаллическую структуру. Термопласты с графитовой смазкой в основном используются в приложениях, работающих в водной среде. ^{[ нужна ссылка ]}

Ссылки

^ Торстен Бартельс и др. «Смазочные материалы и смазка» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , 2005, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a15_423
^ Шарф, ТВ; Прасад, С.В. (1 января 2013 г.). «Твердые смазочные материалы: обзор» . Журнал материаловедения . 48 (2): 511–531. Бибкод : 2013JMatS..48..511S . дои : 10.1007/s10853-012-7038-2 . ISSN 1573-4803 . S2CID 135902634 .
^ Харшвс (28 октября 2016 г.). «Космическая трибология - Обзор применения трибологии в космосе...» tribonet . Архивировано из оригинала 3 декабря 2016 г. Проверено 2 декабря 2016 г.
^ «Подшипники SKF DryLube» . Подшипники SKF с сухой смазкой . СКФ . Проверено 2 декабря 2011 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ «Терминология покрытий» . ДЕКК .

Дальнейшее чтение

Слайни, Харнольд Э., Твердые смазочные материалы , Технический меморандум НАСА TM-103803, 1991 г. Доступно по адресу hdl.handle.net/2060/19910013083 .

^[1] ^[2]

^ Сингх, Х.; Мутьяла, КЦ; Мохсени, Х.; Шарф, ТВ; Эванс, РД; Кукла, GL (июль 2015 г.). «Трибологические характеристики и характеристики покрытия из MoS2, осажденного распылением, легированного Ti, при контакте качения и скольжения». Трибологические труды . 58 (5): 767–777. дои : 10.1080/10402004.2015.1015758 . S2CID 136631684 .
^ Сингх, Х.; Мутьяла, КЦ; Эванс, РД; Кукла, GL (декабрь 2015 г.). «Исследование материальных и трибологических свойств пленок твердой смазки MoS2, легированных Sb2O3/Au, при контакте скольжения и качения в различных средах» . Технология поверхностей и покрытий . 284 : 281–289. doi : 10.1016/j.surfcoat.2015.05.049 .

[1] Торстен Бартельс и др. «Смазочные материалы и смазка» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана , 2005, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a15_423

[2] Шарф, ТВ; Прасад, С.В. (1 января 2013 г.). «Твердые смазочные материалы: обзор» . Журнал материаловедения . 48 (2): 511–531. Бибкод : 2013JMatS..48..511S . дои : 10.1007/s10853-012-7038-2 . ISSN 1573-4803 . S2CID 135902634 .

[3] Харшвс (28 октября 2016 г.). «Космическая трибология - Обзор применения трибологии в космосе...» tribonet . Архивировано из оригинала 3 декабря 2016 г. Проверено 2 декабря 2016 г.

[Graphite-4] «Подшипники SKF DryLube» . Подшипники SKF с сухой смазкой . СКФ . Проверено 2 декабря 2011 г. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[5] «Терминология покрытий» . ДЕКК .

[6] Сингх, Х.; Мутьяла, КЦ; Мохсени, Х.; Шарф, ТВ; Эванс, РД; Кукла, GL (июль 2015 г.). «Трибологические характеристики и характеристики покрытия из MoS2, осажденного распылением, легированного Ti, при контакте качения и скольжения». Трибологические труды . 58 (5): 767–777. дои : 10.1080/10402004.2015.1015758 . S2CID 136631684 .

[7] Сингх, Х.; Мутьяла, КЦ; Эванс, РД; Кукла, GL (декабрь 2015 г.). «Исследование материальных и трибологических свойств пленок твердой смазки MoS2, легированных Sb2O3/Au, при контакте скольжения и качения в различных средах» . Технология поверхностей и покрытий . 284 : 281–289. doi : 10.1016/j.surfcoat.2015.05.049 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[1]

[2]