Влияние геоматериалов на триботехнические свойства пар трения

Структура, состав и свойства шунгита. Исследование оптимальной концентрации шунгита в смазочной композиции. Влияние абразивных включений на основе фулереноподобных материалов на триботехнические свойства антифрикционно-восстановительного состава ММПТ.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

1. Введение

Современное машиностроение характеризуется сложными условиями эксплуатации машин, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т.п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к материалам, в частности высокой надежности и долговечности деталей, из которых они выполнены. Материалы деталей, находящихся в условиях трения, должны обладать высокой износостойкостью. По статистике большинство машин (85-90%) выходят из строя в результате износа поверхностей деталей. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость. Чтобы решить вопросы повышения износостойкости трибообъектов необходимо стремиться к управлению процессом трения - грамотно подбирать материалы по трению и износостойкости, рационально конструировать подвижные сопряжения и оптимизировать условия эксплуатации.

Большое количество вариантов протекания процессов в зоне трибоконтакта при высоких температурах, сложных физико-химических и тепловых реакций, а также из-за невозможности непосредственно наблюдения за прохождением данных процессов, затрудняет управление процессами трения в трибоконтакте. Поэтому сейчас наиболее перспективными направлениями повышения износостойкости являются те направления, которые связаны с эффектами самоорганизующихся процессов.

Одним из таких направлений является «Безразборное восстановление» это не просто возврат (введение) в зону трения изношенного конструкционного материала, а комплекс мероприятий по очистке и регулировке всей машины или агрегата, восстановлению свойств смазочного материала и конечно же, по частичному восстановлению поверхности пар трения, прежде всего на нано и микроуровне. В ряде случаев, при обработке различных пар трения - этого достаточно для полного или частичного восстановления соединений до номинальных или ремонтных геометрических размеров с одновременным повышением их трибологических свойств. Суть метода - это введение в масло различных добавок, минеральных модификаторов поверхности трения (в дальнейшем ММПТ), которые при тех или иных условиях эксплуатации трибообъекта снижают коэффициент трения, повышают прочность, а в ряде случаев наблюдается прирост массы, что свидетельствует об восстановлении и значительном повышении ресурса трущихся деталей.

Улучшить данный метод возможно путём добавления в смазочную композицию тонкодисперсных абразивных включений, которые производят микрошлифовку и очистку поверхности трения, от различного рода деструктивных отложений и окисных пленок, что в свою очередь позволит на «чистой - ювенальной?» поверхности сформировать более качественный металлокерамический защитный слой.

Данная дипломная работа посвящена изучению влияния геоматериалов на триботехнические свойства пар трения. В частности будет рассмотрено влияние абразивных включений на основе фулереноподобных материалов на триботехнические свойства антифрикционно -восстановительного состава ММПТ.



2. Литературная часть

2.1 Геоматериалы

Горные породы - главный источник геоматериалов, которые используются во многих сферах науки и промышленности. Это природные образования более или менее определенного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела.

В зависимости от условий формирования горные породы делят на три генетические группы:

1. Магматические породы, образовавшиеся в результате охлаждения и затвердевания магмы;

2. Осадочные породы, возникшие в поверхностных слоях земной коры из продуктов выветривания и разрушения различных горных пород;

3. Метаморфические породы, являющиеся продуктом перекристаллизации и приспособления горных пород к изменившимся в земной коре физико-химическим условиям.

Минералы группы кремнезема. К минералам этой группы относят кварц. Он может находиться как в кристаллической, так и аморфной форме.
Кристаллический кварц в виде диоксида кремния SiО₂ - один из самых распространенных минералов в природе. Аморфный кремнезем встречается в виде опала SiО₂ x NH₂О. Кварц отличается высокой химической стойкостью при обычной температуре. Кварц плавится при температуре около 1700оС, поэтому широко используется в огнеупорных материалах.

Минералы группы алюмосиликатов - полевые шпаты, слюды, каолиниты. Полевые шпаты составляют 58% всей литосферы и являются самыми распространенными минералами. Разновидностями их являются ортоглаз и плагиоклазы. Ортоклаз - калиевый полевой шпат - K₂О x Al₂О₃ x 6SiО₂. Имеет среднюю плотность 2,57 г/см3, твердость - 6-6,5. Является основной частью гранитов, сиенитов. Плагиоклазы - минералы, состоящие из смеси твердых растворов альбита и анортита.

Альбит - натриевый полевой шпат - Na₂О x Al₂О₃ x 6SiО₂. Анортит - кальциевый полевой шпат - CaO x Al₂О₃ x 2SiО₂.

Плагиоклазы входят в состав кислых и основных горных пород.

Предел прочности полевых шпатов при сжатии составляет 120-170 МПа, что ниже прочности кварца. Они выветриваются под воздействием воды, содержащей углекислоту, в результате чего образуется каолинит.

Слюды - водные алюмосиликаты слоистого строения, способные расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее часто встречаются два вида - мусковит и биотит. Мусковит - калиевая бесцветная слюда. Обладает высокой химической стойкостью, тугоплавка. Биотит - железисто-магнезиальная слюда черного или зелено-черного цветов.

Железисто-магнезиальные силикаты. Минералами этой группы являются пироксены, амфиболы и оливин. К пироксенам относят авгит, входящий в состав габбро, к амфиболам - роговую обманку, входящую в состав гранитов. Оливин входит в состав диабазов и базальтов. Продукт выветривания оливина - хризотил-асбест. Эти минералы являются силикатами магния и железа и имеют темную окраску. Они обладают высокой ударной вязкостью и стойкостью против выветривания.

В данной дипломной работе в качестве абразивных включений был применён шунгит. Смазочные композиции минеральных модификаторов поверхности трения были выполнены на основе серпентинитов.



2.1.1 Шунгит

Шунгит - уникальный природный материал. Он необычен по происхождению, структуре входящего в их состав углерода и структуре самих пород.

Шунгитовый углерод - это окаменевшая древнейшая нефть, или аморфный, некристаллизирующийся, фуллереноподобный (т.е. содержащий определённые регулярные структуры, см. ниже) углерод. Его содержание в породе около 30%, а 70% составляют силикатные минералы - кварц, слюды. Кроме углерода в состав шунгита входят также SiO2 (57,0%), TiO2 (0,2%), Al2O3 (4,0%), FeO (2,5%), MgO (1,2%), К2О(1,5%), S (1,2%).

История открытия шунгита необычна. Шунгит получил своё название в 1887 году от посёлка Шуньга в Карелии, расположенном на берегу Онежского озера. Сначала ученые думали использовать этот загадочный минерал как противогарное покрытие при производстве чугуна, как

Учёные объясняют уникальные свойства шунгита его необычной структурой. Шунгитовый углерод образует в породе матрицу, в которой равномерно распределены дисперсные силикаты со средним размером около 1 мкм. Свойства шунгитовой породы определяются двумя факторами: во-первых, свойствами шунгитового углерода, во-вторых, структурой породы, взаимоотношениями углерода и силикатов.

В конце двадцатого века ученые частично объяснили причины целебного действия шунгита. Этот минерал в основном состоит из углерода, значительная часть которого очень напоминает молекулы сферической формы - фуллерены.

2.1.1.1 Фуллерены

Фуллерены - особая форма углерода, которая вначале была открыта в научных лабораториях при попытке моделировать процессы, происходящие в космосе, а позднее обнаружена в земной коре.

До недавнего времени считалось, что углерод имеет только три формы существования - алмаз, графит и карбин. Эти вещества отличаются своим строением. Каждый атом углерода в структуре алмаза расположен в центре тетраэдра, вершинами которого служат четыре ближайших атома. Такая структура определяет свойства алмаза как самого твердого вещества, известного на Земле.

Атомы углерода в кристаллической структуре графита формируют шестиугольные кольца, образующие, в свою очередь, прочную и стабильную сетку, похожую на пчелиные соты. Сетки располагаются друг над другом слоями, которые слабо связаны между собой. Такая структура определяет специфические свойства графита: низкую твердость и способность легко расслаиваться на мельчайшие чешуйки.

В противоположность алмазу, графиту и карбину, фуллерен является новой формой углерода. Уникальность фуллерена в том, что молекула С₆₀ содержит фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которые запрещены природой для неорганических соединений. Молекула фуллерена является органической молекулой, а кристалл, образованный такими молекулами (фуллерит) -это молекулярный кристалл, являющийся связующим звеном между органическим и неорганическим веществом.

В фуллерене плоская сетка шестиугольников - графитовая сетка свернута и сшита в замкнутую сферу. При этом часть шестиугольников преобразуется в пятиугольники. Природой задана четкая последовательность этого соединения - каждый шестиугольник граничит с тремя шестиугольниками и тремя пятиугольниками, а каждый пятиугольник граничит только с шестиуголь...