Твердая смазка как решение для экстремальных условий
Содержание статьи
Твердая смазка — это метод, который использует твердые вещества для уменьшения трения и износа деталей, а также для предотвращения заклинивания и задиров контактов между поверхностями.
До 20 века смазки были лишь жидкими: сначала использовали растительные жиры, потом минеральные масла и силиконовые составы.
Эти материалы хорошо снижают трение в нормальных условиях, поэтому они до сих пор популярны в различных отраслях.
Однако с развитием науки и технологий, а также увеличением диапазона рабочих температур и скоростей, стало очевидно, что традиционные смазочные материалы уже не справляются.
Например, в космической отрасли оборудование работает в вакууме и под воздействием различных температур, а также радиации и других неблагоприятных факторов.
В таких условиях жидкие и пластичные смазочные материалы могут перемещаться с места нанесения, испаряться, замерзать или разрушаться, что приводит к заклиниванию деталей и выходу оборудования из строя.
Частые поломки из-за плохого смазывания требовали разработки новых подходов к снижению трения и износа.
Исследования процессов трения в экстремальных условиях привели специалистов к использованию твердых материалов в порошковой форме.
Твердая смазка: основные компоненты
Твердосмазочные материалы бывают:
- Вещества с кристаллической структурой — графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама.
- Полимеры — политетрафторэтилен.
- Мягкие металлы — серебро, золото, свинец.
Графит — смазка, эффективно работающая во влажной среде благодаря присутствию молекул воды, что улучшает скольжение. Однако в вакууме его эффективность снижается.
Графит имеет низкий коэффициент трения в влажной среде (0,04) и значительно выше (0,3) в вакууме.
Обратные характеристики имеет дисульфид молибдена. Его открытие стало важным шагом для защиты деталей в космической технике, так как его коэффициент трения в вакууме составляет всего 0,02.
Исследования показали, что комбинация дисульфида молибдена и графита в определенных пропорциях значительно улучшает их свойства.
Дисульфид вольфрама также используется в вакууме и в агрессивных условиях при высоких температурах. Он обладает высокой несущей способностью, но его стоимость ограничивает использование по сравнению с другими твердыми смазками.
Политетрафторэтилен — это полимер с низким коэффициентом трения (0,02-0,05), устойчивый к агрессивным средам и широкому диапазону температур (-100°C…+250°C). Тефлон, как торговое название политетрафторэтилена, известен своими антиадгезионными и антипригарными свойствами, что продлевает срок службы деталей.
Мягкие металлы также снижают износ, но имеют высокий коэффициент трения по сравнению с твердыми веществами (0,15-0,4).
Нанесение твердых смазок
Порошковая форма твердых смазок не обеспечивает надежного смазывания, так как вещества плохо удерживаются на поверхности.
Напыление, то есть создание тонкой пленки на деталях, также не обладает высокой стойкостью.
Добавление твердых веществ в жидкие или пластичные смазки улучшает их характеристики, но такие продукты сохраняют недостатки обычных смазок.
Более эффективный способ применения твердых смазок — это создание твердосмазочных покрытий путем добавления суспензий твердых веществ в связующие и растворители, что обеспечивает лучшую интеграцию свойств в детали.
Покрытия на основе твердых смазок
Твердосмазочные покрытия состоят из суспензий порошковых твердых смазочных материалов, органических и неорганических связующих, а также растворителей.
Такой состав формирует тонкий, прочно сцепленный с основной поверхностью слой на детали.
Для улучшения сцепления перед нанесением покрытия детали проходят подготовку: им придается нужная шероховатость, а поверхности очищаются и обезжириваются.
Полимеризация материалов происходит при нагреве в печи или при комнатной температуре, в процессе отверждения растворители удаляются.
На поверхности образуется матрица связующего вещества с частицами твердых смазок. Толщина таких покрытий составляет около 20 микрометров.
В России компания «Моденжи» занимается разработкой и производством таких материалов.
Преимущества покрытий на основе твердых смазок:
- Низкий коэффициент трения — сухое трение может достигать 0,03 даже при больших нагрузках.
- Широкий диапазон температур — покрытия могут работать в условиях как низких, так и высоких температур, вплоть до +500 °C.
- Высокие антикоррозионные свойства — некоторые образцы сохраняют защитные качества до 1000 часов в соляном тумане.
- Стойкость к химически агрессивным средам — покрытия не разрушаются при контакте со щелочами, растворителями и другими химическими веществами.
- Работоспособность в вакууме — покрытия MODENGY сохраняют эффективность и не испаряются в вакууме, обеспечивая защиту даже в условиях космической техники.
- Использование в радиационных условиях — материалы не теряют свойств при радиации, что позволяет применять их на атомных станциях.
- Малая толщина — оптимальная толщина покрытий составляет всего 15-25 микрометров, не влияя на размеры деталей.
- Сухая текстура — отсутствие масел и липких веществ не способствует налипанию частиц.
- Нетоксичность — отвержденное покрытие безопасно для здоровья.
- Высокая прочность — покрытия применяются для узлов с контактными давлениями до 3000 Мпа.
- Антиадгезионные свойства — предотвращают прилипание полимерных материалов и конденсацию влаги на деталях.
- Снятие статического электричества.
- Эстетичный вид — покрытия MODENGY доступны в различных цветах и отделке.
Твердая смазка: перспективы развития технологии
Одно из направлений развития твердосмазочных материалов — создание покрытий, которые адаптируются к изменениям температуры.
Такие материалы могут менять свою структуру при переходе в разные температурные зоны.
Это необходимо для высокоскоростных машин с лепестковыми газодинамическими подшипниками, для которых актуальна твердая смазка. Их эксплуатационные температуры колеблются от -50 °C до +600 °C.
Комбинирование твердых смазок для создания адаптивных покрытий является эффективным решением для уменьшения износа высоконагруженных деталей в меняющихся условиях.
