Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2020, T. 493, № 1, стр. 79-83

Согласно современным представлениям смазочные материалы (СМ) имеют важное значение для стабильной и долговременной работы техники, машин и механизмов. Применение и оптимальное сочетание специальных антифрикционных и противоизносных добавок к СМ способно не только изменять физико-механические и реологические характеристики базовой основы, но и активно влиять на эксплуатационные свойства (износ, коэффициент трения, адсорбцию молекул и т.д.) при фрикционном взаимодействии трибосопряжений [1–3]. Огромный опыт широкого применения различных по природе СМ показывает, что немаловажную роль в успешном развитии пластичных смазочных материалов (ПСМ) также играют рациональный и сбалансированный выбор их компонентного состава [4–6]. Оптимальное сочетание компонентов дисперсной фазы (загустителя) и дисперсионной среды (базовой основы) обеспечивает наибольший эффект в противоизносном – экранирующем действии таких ПСМ при трении твердых тел. Особый практический интерес в этом приобретает использование в качестве дисперсионной среды ПСМ промежуточных фракций нефтепереработки (дистиллятов нефтяных, газойлей и т.д.), изначально содержащих в отличие от очищенных индустриальных масел в своем составе поверхностно-активные вещества (ПАВ) естественного природного происхождения, которые, как известно, обладают достаточно высокими триботехническими характеристиками. Данный эффект, по-видимому, можно существенно увеличить посредством целенаправленного применения добавок, например, этаноламинов и соединений холестерина (СХ) жидкокристаллического типа. Однако, несмотря на большой объем экспериментальных данных, относящихся к механизмам низкого трения таких соединений по отдельности, остаются практически неизученными закономерности их интегрального экранирующего действия при динамическом контакте металлических сопряжений, в том числе в комплексе с базовыми компонентами ПСМ (минеральными маслами, дистиллятами нефтяными и т.д.).

Задача работы – установление закономерностей экранирующего действия этаноламинов и соединений холестерина жидкокристаллического типа совместно с базовыми компонентами пластичных смазок различной природы при фрикционном взаимодействии металлических сопряжений.

В экспериментах использовали как традиционные кальциевые синтетические и жировые ПСМ на основе высокоочищенных минеральных масел (И-20А, И-40А и т.д.), так и кальциевые ПСМ, в которых дорогостоящие минеральные масла были заменены на сравнительно недорогие промежуточные фракции нефтепереработки с аналогичными вязкоупругими свойствами: дистилляты нефтяные (ТУ BY 300220696-2004). В качестве модификаторов данных ПСМ применяли моно-, ди- и триэтаноламин, а также СХ с мезоморфными свойствами в области температур от 15 до 40°С. Для выявления экранирующего (противоизносного) действия ПСМ и используемых в них модификаторов применяли методику, описанную в ГОСТ 9490-75 по определению триботехнических характеристик СМ на четырехшариковой машине трения (ЧМТ) при нагрузке 392 Н. В процессе исследований также оценивали поведение и характер изнашивания динамически контактирующих стальных шаров при трении на ЧМТ в течение 1, 2, 4 и 8 ч испытаний. Топографию и характер пятен износа изучали на оптическом (NU-2) и растровом электронном (VEGA II LSH) микроскопах.

Установлено, что модифицирование этаноламинами кальциевых синтетических и жировых ПСМ на основе высокоочищенных минеральных масел при трении не влияет на улучшение показателя износа (снижение диаметров пятен износа) стальных шаров, однако практически исключает возникновение кавитационного изнашивания (рис. 1б, г, е), которое обычно может проявляться на границе образующихся участков износа. Действительно, с использованием детальных исследований на оптическом и растровом электронном микроскопах обнаружено, что при фрикционном взаимодействии процессы кавитационных повреждений наблюдаются при трении в составах ПСМ, не модифицированных этаноламинами (рис. 1а, в, д). Эти повреждения представляют собой достаточно многочисленные локальные разрушения (микротрещины, каверны и т.д.), которые возникают в пограничной области пятен износа нижних шаров при входе в контакт с ними верхнего шара. Спонтанно соединяясь, они приводят к последовательному выкрашиванию частиц материала и появлению более крупных углублений на поверхностях нижних шаров. Напротив, введение этаноламинов в небольших концентрациях (0.5–1.5 мас. %) в кальциевые синтетические и жировые ПСМ на основе высокоочищенных минеральных масел при фрикционном взаимодействии практически исключает появление таких кавитационных разрушений. Это свидетельствует о высоком защитном экранирующем действии этаноламинов при модифицировании ими широко используемых в технике традиционных ПСМ, т.е. на основе минеральных масел и их смесей (рис. 1б, г, е).

Рис. 1.

Поверхности пятен контакта нижних стальных шаров после трения на ЧМТ в присутствии кальциевых синтетических (а, б) и жировых (в–е) ПСМ на основе минерального масла И-40А: а, в, д – без модифицирования; б, г, е – при модифицировании триэтаноламином в количестве 0.5 мас. %. Время испытаний – 8 ч, нагрузка – 392 Н.

При этом более детальными многократными экспериментами убедительно показано, что модифицирование моно-, ди- и триэтаноламинами кальциевых синтетических и жировых ПСМ на основе дистиллятов нефтяных в указанных выше концентрациях, обеспечивая аналогичные реологические свойства составов, приводит к увеличению их защитных или экранирующих свойств (рис. 2, кривые 3–6). Напротив, как следует из экспериментальных данных, представленных на рис. 2 (кривые 1 и 2), модифицирование в таких же концентрациях моно-, ди- и триэтаноламинами кальциевых синтетических и жировых ПСМ на основе высокоочищенных минеральных масел не обеспечивает улучшение их противоизносных свойств.

Рис. 2.

Поведение диаметров d_ср пятен износа при изменении времени t испытаний на ЧМТ в присутствии кальциевых жировых ПСМ на основе минерального масла (1, 2) и дистиллятов нефтяных (3–7) при модифицировании: 2, 4 – триэтаноламином (0.5 мас. %); 5 – диэтаноламином (1.0 мас. %); 6 – моноэтаноламином (1.5 мас. %); 7 – триэтаноламином (0.5 мас. %) и СХ (3.0 мас. %). Нагрузка испытаний – 392 Н.

Полученные результаты можно объяснить следующим образом. Дистилляты нефтяные как одни из наиболее ярких представителей промежуточных фракций нефтепереработки в отличие от многократно очищенных минеральных масел естественно не подвергаются специальным видам обработки. Поэтому изначально они в своем составе содержат нафтеновые и др. кислоты природного нефтяного происхождения, которые в сравнении с синтетическими и естественными жирными кислотами, входящими, например, в состав загустителей ПСМ, обладают более высокими поверхностно дефактивными свойствами. Последние, как известно, в сочетании с другими факторами и веществами могут благоприятно влиять на антифрикционные и противоизносные показатели СМ.

По-видимому, в данных экспериментах, т.е. при взаимодействии указанных кислот с этаноламинами, и реализуются такие условия, при которых в процессе трения на поверхностях сопряжения происходит образование структурно-упорядоченных соединений, обладающих еще более сильными поверхностно-активными и разделяющими свойствами. В конечном итоге, при фрикционном взаимодействии образуются граничные смазочные слои с высокими защитными или экранирующими характеристиками. В совокупности это и приводит к наблюдаемому в эксперименте (рис. 2, кривые 3–6) существенному снижению износа металлических поверхностей при фрикционном взаимодействии.

Таким образом, опытным путем обнаружено, что модифицирование моно-, ди- и триэтаноламинами кальциевых синтетических и жировых ПСМ на основе не подвергнутых специальной очистке промежуточных фракций нефтепереработки приводит к повышению до 40% их противоизносных свойств. Однако модифицирование моно-, ди- и триэтаноламинами (0.5–1.5 мас. %) кальциевых жировых и синтетических ПСМ, в составах которых в качестве базовой основы используются очищенные минеральные масла (рис. 2, кривые 1 и 2), приводит лишь к практически незаметному улучшению показателя износа или увеличению противоизносных экранирующих свойств исследуемых ПСМ.

Из данных, представленных на рис. 2 (кривая 7), также следует, что дополнительное модифицирование СХ (до 3 мас. %) кальциевых жировых и синтетических ПСМ, в составах которых в качестве базовой основы используются не подвергнутые специальной очистке промежуточные фракции нефтепереработки, способствует еще более заметному повышению износостойкости нижних шаров. По-видимому, введение СХ в исследуемые составы ПСМ приводит к реализации еще более мягких и стабильных режимов трения металлических сопряжений. В пользу этого убедительно свидетельствуют микрорельефы пятен износа поверхностей, полученные при трении в ПСМ как не модифицированных (рис. 3а), так и модифицированных 3 мас. % соединений холестерина (рис. 3б), с использованием растровой электронной микроскопии.

Рис. 3.

Микрорельеф поверхностей пятен износа нижних стальных шаров после трения на ЧМТ в присутствии кальциевых жировых ПСМ на основе дистиллятов нефтяных: а – без модифицирования; б – при модифицировании 3.0 мас. % СХ. Время испытаний – 8 ч, нагрузка – 392 Н.

Из представленных на рис. 3 экспериментальных данных видно, что характер изнашивания при фрикционном взаимодействии металлических сопряжений в этих ПСМ имеет принципиальные отличия. Трение сопрягаемых поверхностей в не модифицированных СХ составах ПСМ сопровождается появлением микробороздчатого рельфа с многочисленными дефектами (рис. 3а). Края их неровные и размытые. На поверхностях износа четко видны каверны и трещины с довольно глубокими и протяженными размерами, что подтверждает нестабильность процесса динамического контакта при трении.

Модифицирование исследуемых ПСМ СХ не только приводит к уменьшению диаметров пятен износа при трении нижних шаров (рис. 2, кривая 7), но и создает условия к совершенно иным топографическим особенностям микрорельефов пятен износа при фрикционном взаимодействии (рис. 3б). Микробороздки при таком динамическом контакте характеризуются более четкими краями и высокой регулярностью. Явные дефекты и разрушения отсутствуют (рис. 3б). В соответствии с исследованиями, представленными в работах [2, 7, 8], такой специфический микрорельеф с параметрами субмикрошероховатости, соизмеримыми с молекулярными размерами, наиболее благоприятен для сильного сцепления молекул СХ на наноуровне. Последнее, совместно с адсорбированной пленкой из молекул СХ жидкокристаллического типа на поверхностях трения обеспечивает уменьшение локальных нагрузок и износа при фрикционном взаимодействии твердых тел, а следовательно, обеспечивает более стабильные условия для работы пары трения при ее смазке данными ПСМ.

Исследование значений критических нагрузок Р_к на ЧМТ при трении стальных шаров в ПСМ на основе минеральных масел и дистиллятов нефтяных, модифицированных этаноламинами и СХ, подтверждают этот вывод (табл. 1). Установлено, что модифицирование кальциевых ПСМ этаноламинами и СХ (табл. 1, составы 3 и 4) обеспечивает повышение критической нагрузки в 1.25–1.4 раза в сравнении с традиционными кальциевыми ПСМ без модификаторов (табл. 1, состав 1).

Таким образом, результаты данных экспериментов убедительно подтверждают, что защитные экранирующие и триботехнические свойства кальциевых синтетических и жировых пластичных смазок могут быть существенно повышены посредством комплексного применения в них этаноламинов и жидкокристаллических СХ.

Показано, что наибольший защитный трибоиндуцированный эффект обеспечивается при использовании этаноламинов и жидкокристаллических СХ в кальциевых пластичных смазках совместно с применением в них в качестве базовой основы вместо высокоочищенных минеральных масел промежуточных фракций нефтепереработки – дистиллятов нефтяных.