Нанотрибоэлектрохимические технологии при реализации эффекта безызности в водно-спиртовых средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, кандидат технических наук Косогова, Юлия Павловна

• Косогова, Юлия Павловна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Косогова, Юлия Павловна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС В ТРИБ О ЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ С НАНОМОДИФИКАТОРАМИ.

1.1. Введение.

1.2. Избирательный перенос в трибологических системах.

1.3. Избирательный перенос в трибологических системах с наномодификаторами.

1.4. Общая характеристика наноразмерных частиц металлов.

1.5. Критические характеристики и свойства нанокластеров.

1.5.1. Тепловые свойства.

1.5.2. Дефекты и напряжения в наноструктурах.

1.5.3. Аномалии механического поведения наноматериалов.

1.6. Способы получения наноматериалов.

1.6.1. Физические способы получения наноразмерных частиц.

1.6.1.1. Газофазный синтез (конденсация паров).

1.6.1.2. Механосинтез.

1.6.1.3. Детонационный синтез и электровзрыв.

1.6.1.4. Воздействие ультразвука.

1.6.1. Химические способы получения наноразмерных частиц.

1.6.2.1. В осстановление из растворов.

1.6.2.2. Плазмохимический синтез.

1.6.2.3. Осаждение из коллоидных растворов.

1.6.2.4. Синтез с использованием пространственно-ограниченных систем - нанореакторов (мицелл, капель, пленок).

1.6.2.5. Термическое разложение и восстановление.

1.6.2.6. Электрохимическое катодное осаждение.

1.6.2.7. Одновременное ультразвуковое и электрохимическое воздействие как модель фрикционного взаимодействия в самоорганизующейся трибосистеме.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

2.1. Объекты исследования.

2.1.1. Выбор и физико-химические свойства растворителей.

2.1.2. Металлы, подготовка электродов.

2.2. Методики получения смазочных композиций, содержащих наноразмерные кластеры металлов.

2.2.1. Электрохимическое восстановление металлов из водно-органического раствора с использованием ультразвука.

2.2.2. Трибоэлектрохимическое восстановление из водно-органических растворов полиатомных спиртов.

2.3. Исследование триботехнических свойств смазочных композиций.

2.3.1. Изучение триботехнических характеристик с использованием четырехшариковой машины трения.

2.3.2. Изучение влияния внешних условий на коэффициент трения с использованием трибометра ТЯ-2.

2.3.3. Исследование триботехнических свойств с использованием торцевой машины трения АЕ-5.

2.4. Спектрофотометрические исследования.

2.5. Метод электронной микроскопии.

2.6. ИК-спектроскопия смазочных композиций.

2.7. Исследование кластерных структур метод атомно-силовой микроскопии.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Исследование триботехнических свойств пары трения бронза — сталь.

3.2. Исследование триботехнических свойств пары трения сталь-стальв растворах полиатомных спиртов и наномодифицированных металлоплакирующих смазок на их основе.

3.2.1. Точечный контакт.

3.2.2. Контакт площадей.

3.3. Физико-химическое обоснование нанотрибоэлектрохимических технологий.

3.3.1. Спектрофотометрические исследования.

3.3.2. ИК-спектроскопия смазочных композиций.

3.3.3. Исследование размеров и формы кластеров.

3.3.4. Исследование поверхности трения.

3.3.5. Трибохимические реакции в условиях безызносного трения.

3.4. Нанотрибоэлектрохимическая технология регулирования триботехнических свойств металлоплакирующих смазок.

3.5. Производственные испытания металлоплакирующей смазки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нанотрибоэлектрохимические технологии при реализации эффекта безызности в водно-спиртовых средах»

Актуальность темы

Ключевой проблемой развития современного машиностроения является неуклонное повышение качества и надёжности выпускаемой техники. Вместе с тем техническое обслуживание и ремонт машин требует все больших материальных и энергетических ресурсов. Достаточно сказать, что только на преодоление сил трения в машинах затрачивается до 20 . 25% энергетических ресурсов, вырабатываемых в мире /1/. Например, у автомобилей потери энергии на трение доходят до 50% их номинальной мощности. На восстановление и ремонт имеющихся машин ежегодно расходуется до 15-20% металла, вырабатываемого в мире.

В настоящее время одной из наиболее динамично развивающихся областей знания стала сфера изучения наноразмерных объектов и систем, которые проявляют принципиально новые свойства и обладают огромным потенциалом в развитии реального сектора экономики.

В связи с этим развитие триботехники связано с созданием металло-плакирующих смазочных материалов, которые формируют поверхностные пленки в зоне контактного взаимодействия, обеспечивающие повышение износостойкости пар трения. Анализ современных присадок позволил выделить новый класс — металлсодержащие смазочные композиции на основе твердофазных кластерных добавок. Основные компоненты данного типа присадок - наноразмерные порошки различных металлов, их сплавов. Введение в пластичные смазочные материалы таких добавок улучшает их смазочные способности, снижает коэффициент трения, интенсивность износа деталей подшипников качения и температуру в зоне контакта, увеличивает прочность смазочного слоя на контакте, повышает герметизирующие и защитные свойства смазочного материала.

В 2009 году применительно к известным ранее технологиям по управлению in situ триботехническими свойствами металлов электрохимическими методами за счет целенаправленного формирования на их поверхностях на-нокристаллических и, вследствие этого, безызносных металлических пленок, был предложен термин «нанотрибоэлектрохимические технологии», в наибольшей степени соответствующий тем процессам и явлениям, которые происходят в зоне фрикционного контакта при самоорганизации и реализации эффекта Гаркунова.

Это позволило создать ряд эффективных гибридных технологий для получения нанокластеров мягких металлов и разработать металлоплакирующие смазочные композиции, в достаточно широком ассортименте представленные сегодня на рынке, основным компонентом которых являются наноразмерные порошки металлов, их химические соединения и сплавы. Введение в смазочные материалы таких добавок снижает трение и износ, обеспечивая в предельном случае сверхантифрикционность (// = 0,001) и безызносность /л = 10'12. Одновременно с этим известно, что достижение указанных рекордных триботехнических характеристик трибосопряжения в классической системе «медь - глицерин — сталь» сопровождается значительным приработоч-ным износом и происходит в течение длительного (измеряемого часами) времени, что ограничивает широкое использование эффекта Гаркунова в реальных машинах и механизмах

В связи с этим, разработка нанотрибоэлектрохимических технологий получения металлоплакирующих смазок и управления эволюцией трибосистем при их самоорганизации и выходе на режим безызносности при трении является актуальной задачей и требует детального исследования физико-химических, свойств поверхности трения, состава и свойств смазки в сопоставлении с триботехническими характеристиками различных трибосопряже-ний. Такого рода исследования применительно к водным растворам многоатомных спиртов, за исключением водного раствора глицерина, с нанокластерами меди, свинца и палладия до проведения настоящей работы были неизвестны.

Целью настоящей работы является исследование влияния нанотрибо-электрохимических технологий на эволюцию самоорганизующихся трибоси-стем, реализующих эффект Гаркунова при трении, сокращение времени их перехода в режим безызносности, и расширение на этой основе номенклатуры металлоплакирующих смазочных материалов.

Для осуществления поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Разработка нанотрибоэлектрохимических технологий регулирования три-ботехнических характеристик самоорганизующихся трибосопряжений, в частности трибоэлектрохимического способа легирования смазочных материалов стабилизированными нанокластерами меди, свинца и палладия.

2. Проведение сравнительного анализа и идентификация продуктов звуко-электрохимической и трибоэлектрохимической обработок модельных смазочных композиций.

3. Исследование размеров и формы стабилизированных в водно-органических средах наноструктур меди, свинца и палладия, полученных с помощью нанотрибоэлектрохимических технологий.

4. Изучение влияния размера и концентрации наночастиц металлов, используемых в качестве металлоплакирующих компонентов, на триботехниче-ские характеристики трения металлов в вводно-спиртовых средах, возможность реализации в них избирательного переноса и сокращения времени выхода на режим безызносности.

5. Исследование взаимосвязи химического строения полиатомных спиртов, природы и дисперсности мягких металлов с триботехническими характеристиками реальных трибосопряжений.

Научная новизна:

1. Показано,' что введение в состав смазочного материала нанокластеров меди, свинца и палладия приводит к образованию на поверхности фрикционного контакта как в паре трения сталь-сталь, так и в паре трения бронза-сталь наноструктурированной защитной пленки, обладающей, вследствие своей наноструктуры, свойствами квазижидкости и обеспечивающей бе-зызносность и сверхантифрикционность.

2. Обнаружено, что время перехода в режим безызносности и достижения необходимой для начала формирования сервовитной пленки концентрации нанокластеров металлов в составе смазочного материала при использовании нанотрибоэлектрохимических технологий в трибосистемах «сталь-водный раствор спирта-сталь» и «сталь-водный раствор спирта-бронза» определяется природой металла пленкообразователя и сокращается в ряду свинец - медь - палладий.

3. Доказано, что продукты топохимических реакций, образующихся при моделировании условий фрикционного контакта электролизом в ультразвуковом поле тождественны продуктам трибохимических превращений при реализации эффекта безызносности.

Практическая ценность:

1. Разработана технология получения наноразмерных кластеров меди, свинца и палладия, заключающаяся в электровосстановлении из водных растворов полиатомных спиртов металла пленкообразователя на поверхности фрикционного контакта при одновременной непрерывной механической деформации.

2. Показано, что образующаяся при трении стали по стали на сопряжённых поверхностях в смазочных средах с нанокластерами металлов нанострук-турированная медная, свинцовая или палладиевая плёнка, обеспечивает снижение коэффициентов трения до 10~3 и интенсивности износа до 10"12.

3. Установлено, что интенсификация процессов кластерообразования и переноса металла электролизом при трении уменьшает время, необходимое для выхода системы на режим избирательного переноса в 1,5-2 раза.

4. На примере 50% водного раствора сорбита показано, что замена нанокла-стеров свинца на нанокластеры палладия приводит к снижению коэффициента трения в паре сталь-сталь почти в 60 раз.

5. Расширена номенклатура полиатомных спиртов, используемых в качестве модельных смазочных сред, обеспечивающих избирательный перенос в парах трения бронза-сталь и сталь-сталь. Показано, что эритрит, арабит и сорбит являются более эффективными компонентами смазочных материалов для реализации избирательного переноса, чем глицерин.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

1. Международной научно-практической конференции «Проблемы три-боэлектрохимии», Новочеркасск, 16-19 мая 2006;

2. Международной научно-практической конференции «Славянтрибо», Рыбинск-Санкт-Петербург-Пушкин, 2006;

3. Международной научно-технической конференции «Эффективные технологические процессы в металлургии, машиностроении и станко-инструментальной промышленности», Ростов-на-Дону, 3-5 сентября 2007; •

4. VI Международной научно-практической конференции «Проблемы синергетики в трибологии, трибоэлектрохимии, материаловедении и ме-хатронике», Новочеркасск, 2 ноября 2007;

5. Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трибологии», Самара, июнь 2007;

6. VII Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», Ялта - Киев, 29-31 мая 2007;

7. IX международном семинаре по магнитному резонансу (спектроскопия, томография, экология), Ростов-на-Дону, 15-20 сентября 2008;

8. V международной конференции по новым технологиям и приложениям современных физико-химических методов для изучения окружающей среды, Ростов-на-Дону, 1-5 июня 2009;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка использованных источников из 117 наименований. Работа изложена на 165 страницах, содержит 70 рисунков и фотографий, 12 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Трение и износ в машинах», Косогова, Юлия Павловна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЭКСПЕРТИЗЫ

21) Заявка № 2008132581/02(040862) (22) Дата подачи заявки 06.08.2008

24) Дата начала отсчета срока действия патента 06.08.2008 (85) Дата начала рассмотрения международной заявки на национальной фазе

ПРИОРИТЕТ УСТАНОВЛЕН ПО ДАТЕ [х] (22) подачи заявки 06.08.2008 [ ] (23) поступления дополнительных материалов от к ранее поданной заявке N2 ОТ

1 (62) [] приоритета изобретения по первоначальной заявке № от , из которой данная заявка выделена [ ] подачи первоначальной заявки № ОТ , из которой данная заявка выделена [ ] (66) подачи ранее поданной заявки № • ОТ ] (30) подачи первой(ых) заявки(ок) в государстве-участнике Парижской конвенции

31) Номер первой(ых) заявки(ок) (32) Дата подачи первой(ых) заявки(ок) (33) Код сфаны

1. (86) Заявка К» РСТ/ [] (96) Заявка № ЕА ] (87) Номер публикации и дата публикации заявки РСТ

72) Авгор(ы) Косогова Ю.П., Кужаров A.C., Кужаров A.A., RU

73) Патентообладатель(и) Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ), RU

54) Название изобретения СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

02 2

ДОМ 30.06.2009 см. на оборони)

022601

2008132581/0<.

Публиковать с фиг. № ^ Приложение № 2

54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Реферат

57) Изобретение относится к области разработки металлоплакирующих присадок к смазочным композициям, содержащим твердофазные ультрадисперсные добавки металлов, и предназначено для получения нанокластеров меди, свинца, цинка, никеля размерами частиц 15-50 им. Способ включает электрохимическое восстановление металла, выбранного из группы Си, РЬ, 7.П, N1, в водно-органическом растворе электролита с растворимым анодом из восстанавливаемого металла с одновременным диспергированием восстановленного металлического слоя на катоде. Электрохимическое восстановление и диспергирование восстановленного металлического слоя осуществляют в водном растворе трех - шестиатомных спиртов, при этом диспергирование ведут путем трения пары «стальной катод - сталь» под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа. В устройстве для осуществления способа катод выполнен в форме стального диска, над поверхностью стального диска с возможностью вертикального перемещения установлена державка, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза с закрепленными в них стальными пальцами, рабочие торцы которых контактируют с поверхностью стального диска с образованием зоны "трения. Технический результат -получение стабилизированных нанокластеров металлов Си, РЬ, Zn, N4, устойчивых к действию кислорода и влаги, повышение триботехнических характеристик получаемых водно-спиртовых смазочных композиций, обеспечение возможности контроля триботехнических характеристик водно-спиртовых смазочных композиций. 2 н.и 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 пр.

Референт Г.П. Мельникова

Форма JVs Ola

21)2008132581/02 •

51) МГЖ

C10M125/04 (2006.01) C25C 7/00 (2006.01)

57)

1. Способ получения нанокластеров металлов, включающий электрохимическое восстановление металла, выбранного из группы Cu, Pb, Zn, Ni, в водно-органическом растворе электролита с растворимым анодом из восстанавливаемого металла с одновременным диспергированием восстановленного металлического слоя на катоде, отличающийся тем, что электрохимическое восстановление и диспергирование восстановленного металлического слоя осуществляют в водном растворе трех - шестиатомных спиртов, при этом диспергирование ведут путем трения пары «стальной катод -сталь» под воздействием регулируемой нагрузки не менее 7,5 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют глицерин С3Н803.

3. Способ получения нанокластеров металлов по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита использ)ют

ЭрИТрИТ С4Н10О4.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют арабит С5Н12О5.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве спиртового компонента раствора электролита используют сорбит СбН1406.

6. Устройство для получения нанокластеров металлов электрохимическим восстановлением металла, выбранного из группы Cu, РЬ, Zn, Ni, содержащее установленную на основании электрохимическую ванну для водно-органического раствора электролита, погруженные в нее катод и растворимый анод из восстанавливаемого металла, подключенные к источнику постоянного электрического тока, отличающееся тем, что катод выполнен в форме стального диска, который жестко закреплен на дне электрохимической ванны, установленной на основании на опорных шариковых подшипниках, над поверхностью стального диска с возможностью вертикального перемещения установлена державка, на нижней поверхности которой равномерно по окружности выполнены три паза с закрепленными в них стальными пальцами, рабочие торцы которых контактируют с поверхностью стального диска с образованием зоны трения, причем нерабочие поверхности пальцев и стального диска имеют диэлектрическое пленочное покрытие для изоляции от раствора электролита, а верхняя часть державки выполнена с выступом, в центре которого размещена шаровая опора, связанная посредством головки привода, имеющей поводок, со шпиндельным валом,, который соединен подвижным блоком посредством рычага с регулируемым грузом, на внешней поверхности электрохимической ванны закреплен динамометр.

56) из 5925463 А, 20.07.1999; БШ 2248389 С2, 20.03.2005; Ш 5147841 А, 15.09.1992; ЕР 0318196 А2, 31.05.1989; Ки 2279400 С2, 10.07.2006; и8 5609907 А, 11.03.1997.

При публикации сведений о выдаче патента будет использовано описание в редакции, уточненной заявителем, с откорректированным экспертизой рефератом.