MECHANISMS OF FRICTION SURFACE FORMATION USING OIL DISPERSIONS OF SERPENTINE AND TALCOCHLORITE MINERALS

Эффективность применения тонких порошков с размером частиц до 5 мкм природных минералов стали предметом научного открытия № 323 «Свойство высокоэнергоплотных минералов изменять параметры триботехнических систем»

В 80-е гг. случайно обнаружен эффект «безызносности» колесных пар вагонеток шахт в Печенге. Ленинградские ученые исследовали это и запатентовали «эффект аномально низкого трения гидроксидов по стали»

Дальнейшие исследования «геомодификации поверхностей трения» показали, что уникальные эффекты многократного снижения интенсивности изнашивания и потерь на трение обусловлены формированием новой поверхности трения с высокой адгезионной прочностью и зависят от химических и структурных свойств минералов, а также гранулометрическим составом геомодификатора

Рисунок 1 - Структура и фотография слоистого силиката

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.1

Цель исследований – обоснование механизмов формирования структуры поверхности трения при работе масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов.

Петрографическое исследование шлифов кернов для производства триботехнического состава на микроскопе «OPTO-EDU A15.2601-RTB» по методике «OPTO-EDU»;

Микрозондовый анализ прозрачно-полированных шлифов кернов для производства триботехнического состава на приборе Сканирующий электронный микроскоп «MV 2300» с приставкой для энергетического дисперсионного рентгеновского микроанализа «INCA 200» по методике «ALLTION».

Рентгено-флуоресцентный анализ минералов керна с использованием прибора «X-DELTA» (XRF, РФА, РФСА анализ для определения концентраций элементов от бериллия до урана в диапазоне от 0.0001% до 100% по методикам «DELTA»), полученного при бурении скважин для производства триботехнического состава;

Теоретический анализ триботехнических процессов по литературным данным

Триботехнические испытаниями на машине испытания на трение и износ «ИИ5018» по параметрам коэффициента трения, износа образцов (износ образца определялся взвешиванием до и после испытаний на электронных аналитических весах «АВ210М-01А» с погрешностью до 0,1 мг) и температуры масла (станция измерительная ESM-4420.5.20 и датчик температуры погружной ТС-105-Pt100. 120) по методикам аккредитованной испытательной лаборатории «СУПРОТЕК»;

Оценка микротвердости поверхностей трения образцов до и после испытания на твердомере ПМТ-3М по стандартной методике ЛОМО;

Оценка крупности твердых частиц триботехнических составов (композиции природных минералов) на лазерном анализаторе крупности частиц «LaSca –T» по методике «БиоМедСистем»;

Визуальный анализ поверхностей после работы образцов трения на металлографическом микроскопе «ЛабоМет-1»;

Анализ профиля поверхностей трения до и после работы образцов и деталей трения с помощью прибора «MarSurf PS-1» по методике компании «Mahr»;

Исследование образцов стали методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с использованием микроскопа УЭМВ-100, сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием электронного микроскопа TESCAN VEGA и рентгено-спектрального микроанализа (РСМА) с использованием оптико-эмиссионного спектрометра PMI-MASTER Smart UVR по методикам Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН.

Для анализа фазового и химического состава выбрана рабочая композиция природных минералов для производства масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов. Минеральный состав керна представлен на рисунке 2, а по глубине на рисунке 3.

Породы представлены доломит-серпентин-тальковыми, тальк-доломит-хлоритовыми и тальк-хлорит-доломитовыми сланцами. С глубиной наблюдается увеличение количества доломита и уменьшение содержаний талька и серпентина. Количество хлорита в среднем по скважине не меняется и колеблется в пределах 20%. Вторичные изменения представлены карбонатизацией и хлоритизацией.

Рисунок 2 - Минеральный состав керна

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.2

Рисунок 3 - Минеральный состав керна по глубине

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.3

Минеральный состав весьма однообразный:

• тальк Mg3Si4O10(OH)2;

• серпентины: лизардит Mg3Si2O5(OH)4, антигорит (Mg,Fe)3Si2O5(OH)4;

• карбонаты: ферро-магнезит MgCO3, доломит CaMg(CO3)2, кальцит CaCO3;

• хлорит (Mg,Fe)3(Si,Al)4O10(OH)2·(Mg,Fe)3(OH)6

• рудные минералы: магнетит FeO·Fe2O3, ильменит FeTiO3, рутил ТіО2, пирит FeS2, борнит Cu5FeS4;

•тремолит Сa2Mg5Si8O22(OH)2

Минеральный и химический состав керна показывает наличие весьма твердых минералов (магнетит 5,5 – 6, ильменит 5,5 -6, рутил 6 – 6,5, пирит 6 – 6,5), средней твердости (антигорит 3,5, ферро-магнезит 3,5 -4, доломит 3,5, борнит 3,5 – 4, тремолит 3 – 3,5) и достаточно мягких минералов (тальк 1, лизардит 2,5 – 3, кальцит 3, хлорит 2 -2,5) по Моосу.

Серпентины и талькохлориты относятся к слоистым, чешуйчатым листовым силикатам, карбонаты – неорганические соли угольной кислоты, а остальные компоненты – рудные минералы.

Такие структуры компонентов трибосостава определяют фазы происходящих процессов в зоне трения рабочих узлов в среде масла или смазки. Наиболее твердые частички минералов играют роль очистки исходного поверхностного слоя, характеризуемого наличием фаз искаженной решетки, окислов и продуктов термического разложения смазочного материала

Поэтому важным в получении эффекта модификации поверхностей трения масляными дисперсиями серпентиновых и талькхлоритовых минералов является правильная исходная крупность частичек, а еще важнее правильное распределение по крупности. Распределение по крупности зависит от твердости исходных компонентов и технологии измельчения.

Разработанная технология включает грубое измельчение керна на щековой дробилке ЩД-10, среднее дробление на дробилке ЩД-6, тонкий помол в шаровой мельнице МШЛ-22К и отсев порошка на ситах. Полученный рабочий порошок контролируется на анализаторе крупности частиц «LaSca –T». Распределение по крупности и средняя крупность представлены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Распределение по крупности частиц порошка трибосостава

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.4

Из рисунка 4 видно, что средний размер частиц порошка трибосостава 4 мкм, а 90% порошка менее 7,3%. Из распределения так же видно, что основная рабочая фракция исходного порошка от 1 до 5 мкм. Это и есть слоистые силикаты. Они будут играть роль катализатора или инициатора процесса «строительства» нового слоя поверхности трения, разрушаясь в многократных циклах в трибопарах до субмикронного уровня. А крупных частиц от 7 до 10 мкм около 10%. Это измельчение рудные минералы. Они в процессе приработки будут играть роль абразива для первичной очистки поверхности трения и «строительного материала» для будущего слоя.

Для подтверждения теоретических предпосылок механизма формирования поверхности трения с применением масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов проведены триботехнические исследования образцов с дальнейшим анализом поверхностей трения

Испытания триботехнического таких дисперсий в смазочном масле ЛУКОЙЛ ЛЮКС SAE 10W-40 проводились на машине трения ИИ5018 методом сравнения триботехнических характеристик. Испытание №1 – Смазочная дисперсия с маслом ЛУКОЙЛ ЛЮКС SAE 10W-40, испытание №2 – «чистое» масло ЛУКОЙЛ ЛЮКС SAE 10W-40. 

Схема испытаний:

·  «диск по диску» (подвижный диск – d=50, h=12, неподвижный диск – d= 50, h=10), смазка осуществляется разбрызгиванием подвижным образцом (погружен в масло на 1 – 2 см, объем масла – 200 мл);

· материал: - 30ХГСА (закалка, шлифовка Ra=1 – 2 мкм);

· режим работы: - n=1200 мин -1 (V= 3,14 м/с), Нагрузка Р= 100 Н;

· продолжительность испытаний: приработка на «чистом» масла – 30 тыс. циклов (25 мин.), работа на масле с препаратом – 70 тыс. циклов (60 мин.);

· концентрация трибосостава в масле 0,25 %.

Регистрируемые параметры:

· момент сопротивления трения М (Н*м);

· температура масла в камере Т (°С);

· число циклов N.

Износ образца (нижнего диска - Dmo) определялся взвешиванием до и после испытаний на аналитических весах АВ210М-01А с погрешностью до 0,1 мг. Испытательный узел представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Испытательный узел машины трения

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.5

Результаты испытаний представлены в таблице 1 и на рисунках 6 – 8.

Рисунок 6 - Средние значения коэффициента трения

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.7

Рисунок 7 - Средние значения температуры масла в камере

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.8

Рисунок 8 - Износ образца

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.9

Динамика коэффициента трения и температуры масла представлена в таблице 2 и на рисунках 9, 10.

Рисунок 9 - Динамика коэффициента трения

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.11

Рисунок 10 - Динамика температуры масла в камере

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.12

Анализ триботехнических испытаний показывает, что добавление в масло масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов приводит к снижению коэффициента трения в среднем на 38%, температуры масла в камере на 28%, а износа на 22% по сравнению с «чистым» маслом. Динамика коэффициента трения образцов при работе с трибосоставом показывает его среднее снижение на 39% по сравнению с коэффициентом трения после приработки на «чистом» масле. Такое снижение потерь на трение не может обеспечить ни одна стандартная антифрикционная присадка. Это свидетельствует о кардинальном изменении процессов в трибоконтакте.

Визуальный анализ поверхностей после работы на «чистом» масле и после добавления масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов проводился на металлографическом микроскопе ЛабоМет-1. Фото поверхностей с увеличением х500, представлены на рисунке 11.

Рисунок 11 - Фото образцов трения

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.13

После работы образца с масляной дисперсией наблюдается поверхностный слой, который отличается по структуре и цвету. Механически снять такой слой удается только с помощью абразивных средств (наждачная бумага), что свидетельствует об высокой адгезионной прочности слоя.

Замер микротвердости поверхностей трения исходного образца, после работы на «чистом» масла и после работы с масляной дисперсией проводился на твердомере ПМТ-3М. Результаты замеров представлены в таблице 3.

Из таблицы 3 видно, что после работы образца с масляной дисперсией микротвердость увеличилась на 16%.

Профилограммы и кривые Абота исходного образца, образца после работы на «чистом» масле и образца после работы с масляной дисперсией, полученные с помощью профилометра «MarSurf PS1», представлены на рисунках 12 и в таблице 4.

Рисунок 12 - Профилограммы и кривые Абота

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.15

Анализ параметров шероховатости образцов трения показывает, что работа на «чистом» масле несколько увеличивает Ra, Rz, Rmax, Rvk и Rvk. Это свидетельствует о некотором деструктивном влиянии масла на поверхности трения в процессе работы. Идет процесс граничного трения с изнашиванием, срезанием (вырыванием) пиков. При этом мы видим увеличение масляного объема V0, который должен бы улучшать несущую способность масла. Но, похоже, это осредненный параметр увеличился за счет локальных «вырванных» частичек металла. Что и подтверждает увеличение коэффициента трения.

Работа образца в масле с масляной дисперсией минералов приводит к снижению основных параметров шероховатости кроме Rmax, это единичная высота пика видна на профиле, и скорее всего, является следствием или остаточным влиянием твердого абразива рудного компонента трибосостава. Основной профиль визуально и по кривой Абота самый гладкий и значительное снижение коэффициента трения очевидно связано с увеличением фактической несущей площади контакта.

Подготовка образцов трения к исследованию проводилась как показано на рисунке 13.

Рисунок 13 - Подготовка образцов трения к исследованию

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.17

Результаты исследования приповерхностных слоев образцов:

Исследования методом ПЭМ показали, что в исходном образце основной фазой материала является мартенсит, при этом присутствует приповерхностный слой толщиной около 0,5 мкм, отличающийся более высокой концентрацией дефектов. На рисунке 14 представлено Изображение сечения приповерхностной области исходного образца и картина электронной дифракции от неё.

А в приповерхностной области обработанного образца наблюдаются протяжённые домены толщиной порядка 50 нм, ориентация которых приближается к горизонтальной вблизи поверхности. На рисунке 15 представлено изображение протяжённых доменов в приповерхностной области обработанного образца.

Рисунок 14 - Сечение приповерхностной области исходного образца

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.18

Рисунок 15 - Сечение приповерхностной области обработанного образца

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.19

Исследования методом ПЭМ и РСМА показали, что основными элементами в триботехническом покрытии выявлено: железо, кремний, хром и марганец. Заметного отличия элементного состава приповерхностной области деталей трения после работы с масляной дисперсией минералов и без неё не наблюдается. Вероятно, что «строительство» нового слоя происходит из продуктов изнашивания, в том числе «снятого» при очистке (Fe), компонентов дисперсии, содержащих Fe и Mg и свидетельствует об отсутствии керамических и металлокерамических слоев (версия ревитализантов) (Рисунок 16).

Рисунок 16 - Спектр EDX от образца до (слева) и после испытаний

DOI:10.60797/IRJ.2024.144.54.20

Спектральный анализ поверхностей трения показывает также наличие легирующих элементов в стали образцов трения: кремния (Si) менее 1,5%, марганца (Mn) менее 1,5%, хрома (Cr) менее 1,5% и меди (Cu).

Проведенные исследования позволяют сформулировать приблизительный механизм формирования поверхностей трения при работе с масляными дисперсиями серпентиновых и талькхлоритовых минералов.

Состав минералов должен иметь в достаточной мере абразивные компоненты, чтобы произвести первичную очистку поверхностей трения от отложений и окислов, а по возможности – и удаление с них разрушенных кристаллов при механической обработке деталей (резание, шлифование и т.п.) и в процессе эксплуатации машин и оборудования.

Абразивное действие минералов по мере приработки узла трения уменьшается, что исключает износ кристаллических структур. С другой стороны, энергии разрушения частиц достаточно, чтобы вывести систему трения из равновесия и инициировать в ней процессы самоорганизации с переходом на более высокий уровень «организованности»

Проведенные исследования, опыт применения показывают, что формирование нового слоя находится в режиме автокомпенсации износа и оптимизации зазоров в узлах трения механизмов. То есть не наблюдается неуправляемый рост толщины слоя. В ДВС компрессия восстанавливается до номинальных значений и более не растет. В коробках передач и в редукторах восстанавливаются зазоры и параметры их работы. Никаких заклинок не происходит. Это свидетельство самоорганизующихся трибопроцессов.

«Строительство» слоя после очистки «не живой» (искаженная решетка, окислы и отложения) вероятнее всего происходит по принципам диффузионных процессов – присоединения частиц металла свободными электронами, «вылет» которых после очистки достаточен для взаимодействия с противоположным объектом (частичкой металла).

Таким образом, представляется механизм физико-механических процессов в трибоконтакте с участием масляных дисперсий серпентиновых и талькхлоритовых минералов, приводящих к фазовым превращениям в структуре металла поверхностей трения, к оптимизации профиля поверхностей трения, что обусловливает кардинальное улучшение триботехнических процессов, сопровождающихся значительным снижением потерь на трение (коэффициент трения) и выделения тепловой энергии (температура трибосреды).