Нанотехнологии. Правда и вымысел
Шрифт:
В МГАУ им. В. П. Горячкина создана металлоплакирующая присадка-восстановитель «Ретурн Металл», плакирующая смазка NRW и ряд других препаратов этого класса, которые являются современными научно-техническими разработками в области самоорганизующихся наноструктур и «эффекта безызносности».
Механизм действия препаратов заключается в формировании на трущихся поверхностях нанокристаллической самовосстанавливающейся защитной пленки с минимальным коэффициентом трения и интенсивностью изнашивания из активных компонентов препаратов и частиц износа. При этом обеспечивается восстановление нано– и микродефектов поверхностей трения и их работоспособности.
Наибольший
Разработанные нанопрепараты позволяют значительно повысить износостойкость деталей, сократить продолжительность и улучшить качество приработки поверхностей трения, эффективно повысить задиростойкость и снизить питтинг контактирующих поверхностей в тяжело нагруженных парах трения, понизить температуру работающих узлов, уровень шума и вибрации.
Металлоплакирующая пластичная смазка NRW обеспечивает частичное безразборное восстановление микроизносов подшипников качения, скольжения и других смазываемых поверхностей.
Присадку «Ретурн Металл» также можно применять в качестве добавки к смазочно-охлаждающим техническим средам (СОТС) для улучшения качества поверхностей и повышения стойкости металлорежущего инструмента.
В настоящее время рядом научно-технических центров разрабатывается новое направление в автохимии и трибологии в целом. Это направление получило наименование «геотрибология» (от греческого геос — земля). Оно изучает трение, износ и смазывание в условиях применения различного рода минералов и других соединений геологического происхождения, имеющих микро– и наноразмеры.
Цель работ в этом направлении – создание специальных добавок в топливно-смазочные материалы на базе металлокерамических соединений, которые смогли бы вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично восстанавливающий дефекты поверхностей трения. Подобные добавки должны также обладать высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.
Геомодификаторы
Препараты автохимии на основе минералов естественного и искусственного происхождения (нано– и микроуровня) называются «геомодификаторами», «геоактиваторами», «ремонтновосстановительными составами» (РВС-технология) или «ревитализантами». Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, они инициируют процесс формирования на трущихся поверхностях металлокерамической наноразмерной структуры с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.
Началом исследований в данном направлении стало необычное явление, обнаруженное при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых серпентинитом (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.
Серпентины – группа природных минералов. Встречаются они в нескольких видах. Все серпентины – зеленые минералы, слагающие жирные на ощупь массивные агрегаты со слоистой структурой, отдаленно напоминающей графит, которые различимы лишь под электронным микроскопом.
Формула серпентина – Mg6[Si4O10](OH)8, или зMg02Si022H20, или (Мg0Н)6Si40llН20. Компонентный состав серпентина:
МgО – 43 %, SiO2 – 44 %, Н2О – 12,1-12,9 % (в серпентине содержится около 13 % конституционной воды; конституционная вода
Кристаллизационная (или кристаллогидратная) вода содержится в минералах (например, в гипсе – Ca(SO)42H2O) в виде молекулы Н2О, которая входит в структуру минерала. Серпентин (хризотил, лизардит или антигорит) не содержит кристаллизационной воды, поэтому объяснение, согласно которому противо-износный эффект от вводимого серпентина в смазочную среду возникает в зависимости от количества кристаллизационной воды, является несостоятельным.
Отличие между компонентами серпентина, скорее всего, заключается в параметрах кристаллической решетки. Рентгенофазовый анализ геомодификаторов показывает, что эти составы бывают двух видов: один содержит 75–80 % лизардита и 10–15 % хризотила, другой содержит 10–15 % лизардита и 75–80 % хризотила.
Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si2O5]2-, соединенных катионами в компактные пакеты состава [Si4O10]4-. Особенность каждой сетки [Si2O5]2 – наличие нескомпенсированного электростатического заряда. Данная особенность обусловлена тем, что сетки из кремнекислородных тетраэдров имеют одну свободную валентность. Это определяет появление тетраэдров отрицательного заряда только на одной стороне сетки. В сдвоенных пакетах [Si4O10]4- отрицательные заряды обеих сеток направлены внутрь пакета и скомпенсированы катионами Mg. Фактически в слоистых пакетах [Si4O10]4- между двумя сетками состава [Si2O5]2- располагается бруситовый слой Mg^^. 2 5
Специфическое строение слоистых силикатов – наличие пакетов, состоящих из гексагональных сеток-слоев, которые очень слабо связаны друг с другом, определяет и свойства этих минералов: низкую твердость, весьма совершенную спайность и расщепляемость на тонкие пластинки.
Изучение данного явления было организовано в конце 80-х годов прошлого столетия в институте «МеханОбр» (Ленинград) под руководством академика Владимира Ивановича Ревнивцева. Учеными было установлено, что данный эффект является следствием разложения серпентина в зоне бурения с дополнительным выделением большого количества тепловой энергии. Вследствие этого наблюдается разогрев материала шарошки бурового долота, диффузия в него разложившихся элементов минерала и образование композиционной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.
В настоящее время геомодификаторы используют для проведения ремонтно-восстановительных работ техники с большим пробегом в процессе непрерывной эксплуатации, но иногда – в целях интенсификации процесса, повышения качества приработки и износостойкости деталей – их применяют и на новых двигателях.
Восстановление и упрочнение подвижных соединений геомодификаторами осуществляется за счет формирования на поверхностях трения структур повышенной прочности, подавления процессов водородного изнашивания и охрупчивания металла, повышения термодинамической устойчивости системы «поверхность трения – смазочный материал». Поверхностно-активные вещества (ПАВ) металлокерамического восстановителя после введения их в системы двигателя химически (катализ) и физически (суперфиниш) подготавливают поверхности трения, очищая их от нагара, оксидов, отложений и т. д. Попадая на поверхности трения вместе с маслом или в составе пластичной смазки, ПАВ инициируют процесс формирования металлокерамического покрытия с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения.