5_Solovyov.doc Практические аспекты создания магнитных масел Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 32 Соловьев С.Н., Трофимова Е.В. Национальный университет кораблестроения им. адм. Макарова, г. Николаев, Украина ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ МАГНИТНЫХ МАСЕЛ Введение Магнитные масла (ММ) представляют собой взвеси, состоящие из нескольких компонент: жид- кости-носителя (основа), магнитных частиц и поверхностно-активных веществ (ПАВ). Свойства магнит- ных масел определяются свойствами этих элементов, их сочетанием, концентрацией и совместимостью. Свойства ММ должны коррелироваться с режимами трения. Магнитные масла, удовлетворяю- щие жидкостное трение, могут оказаться неработоспособными для полужидкостного или граничного трения. Например, вязкость магнитных масел, используемых для режимов граничного трения, имеет предельные значения, исходя из возможной потери магнитной управляемости. В общем случае магнитные масла должны отвечать следующим основным требованиям, предъ- являемым условиями эксплуатации: - хорошие смазочные свойства; - низкая испаряемость во всем диапазоне рабочих температур; - высокая химическая стойкость; - высокая длительность сохранения коллоидной структуры; - низкая вязкость; - стабильность магнитных свойств масла. Требования к жидкостям, представляющим собой основу (масла, синтетические жидкости и пр.), концентрируются возле проблем, связанных с трибосвойствами и ресурсом, исходя из целесообразности однократной или возобновляемой заправки узла трения магнитным маслом. Эти требования противоре- чивы. В реальных ММ их удовлетворяет разумный инженерный компромисс [1]. Несмотря на то, что магнитные масла предназначены для смазки, триботехнические свойства при их создании во многом подчиняются другим элементам качества: испаряемости, вязкости. Магнит- ные масла используются для смазки трущихся пар специального назначения при незначительных объе- мах и затрудненной циркуляции ММ. Эти особенности приводят к ограничениям по скоростям и нагруз- кам в связи с возникающими температурными полями [2]. Высокая испаряемость приводит к постепенному увеличению вязкости основы. Повышение вязкости сопровождается ростом рабочих температур, что само по себе является ог- раничением работоспособности узла трения. Кроме того, рост температур вызывает дестабилизацию коллоидной системы магнитного масла, повышению химической активности, в частности к окислению. Вместе с тем, повышение температуры приводит к снижению вязкости. Процессы увеличения вязкости в связи с испаряемостью и уменьшением ее с ростом температуры протекают по нелинейным закономер- ностям. В общем случае, следует стремиться к использованию жидкостей-основ в магнитных маслах с наименее возможной вязкостью, что не позволяет применять основы с наилучшими триботехническими свойствами и низкой испаряемостью. Масла становятся магнитными при введении в их состав ферромагнетиков. Наилучшим из них остается железо. Однако в связи с высокой активностью к окисляемости оно практически не применяет- ся. Чаще других в магнитных маслах используется магнетит Fe3O4, получаемый в результате различных химических реакций. Магнитные свойства ММ зависят от размера магнитных частиц, их геометрии и объемной концентрации. В основном магнитные качества определяются концентрацией магнетита в жидкости-основе, чем она выше, тем сильнее проявляется магнитное влияние на магнитные масла [3]. С целью исключения слипания частиц магнетита в ММ вводятся поверхностно-активные вещества. Формулирование проблемы Достижение компромисса взаимодействия агентов магнитных масел в исходном состоянии, при наложении магнитного поля, в условиях трения и изнашивания рабочих поверхностей – сложная научная и инженерная задача. Необходимо дифференцированно подходить к оптимизации состава ММ, используемых при гидродинамическом трении и в условиях граничного трения. Свои ограничения вносят режимы эксплуатации узлов трения, смазываемых магнитными масла- ми (нагрузка, скорость, температура). Вместе с тем имеются некоторые принципиальные подходы к созданию магнитных масел (жид- костей), которые следует учитывать при работе над составами ММ. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Практические аспекты создания магнитных масел Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 33 Целью настоящей работы является формулирование общих проблем оптимизации составов ММ и некоторых соответствующих рекомендаций. Решение проблемы В настоящее время в качестве дисперсных сред (жидкостей-основ) в ММ рекомендуется приме- нение вакуумных масел, зарубежных жидкостей: Apiezon-201, Алкарен-Д24С (Россия), силиконов. Все они обладают высокой химической стабильностью, малой испаряемостью и удовлетворительной вязкостью. В таблице приведены основные характеристики применяемых дисперсных сред. Характеристики жидкостей-носителей (основы) Наименование Описание Давление пара, P , при 100°С в Па Вязкость, η , при 40°С в Па·с AP201 Apiezon, жидкость на основе вакуумного масла 2,4·10 –3 0,0220 L9 Вакуумное масло 2,6·10–3 0,030 ВМ-3 Вакуумное масло 1,33·10–2 0,012 ТКп Трансформаторное масло - 0,011 Алкарен-Д24С Синтетическое масло - 0,040 В условиях граничного трения рабочее поведение узла определяется смазочными свойствами магнитного масла, в то время как в области жидкостного трения преобладают вязкостные свойства сма- зочного материала. В гидродинамическом режиме масло подвергается высоким касательным напряжени- ям, приводящим к соответствующему температурному полю. Чем выше вязкость, тем выше температура. В общем случае нужно стремиться к использованию основ наименьшей вязкости. Однако, не все так однозначно. Этому совету можно следовать во всех случаях, когда проектируются узлы с возобнов- ляемым поступлением ММ. Тогда, когда предусматривается одноразовая заправка ММ, предпочтение требуется отдавать не сочетанию вязкость–температура, а испаряемости и стабильности. Тем более что использование основ с повышенной вязкостью, приводящей к росту температурного режима, компенсируется снижением зна- чений вязкости при увеличении температур. Вязкость магнитной суспензии больше вязкости несущей жидкости. Наличие взвешенных час- тиц увеличивает скорость диссипации энергии при течении жидкости. Поведение магнитной суспензии без наложения внешнего магнитного поля не отличается от случая немагнитных коллоидов твердых час- тиц, взвешенных в жидкости. Поэтому для определения вязкости магнитных жидкостей без влияния маг- нитного поля можно использовать известные теоретические модели, связывающие вязкость смеси ηс вязкостью несущей жидкости 0η и объемной долей твердой фракции ϕ [3]. При допущении сферической формы частиц без оболочек и малой концентрации частиц в жид- кости можно записать: ϕ+= η η 2 5 1 0 . (1) Для больших концентраций применимо выражение: ( )20 1 1 ϕ+ϕ+ = η η ba . (2) Максимальная концентрация, 74,0=ϕc , соответствует плотной упаковке сфер. Если сферические частицы радиуса r покрыть однородным слоем поверхностно-активного ве- щества (ПАВ) толщиной δ , то они займут иную объемную долю. Анализ показывает, что при 2=δ нм диаметр частицы d равен 4,8 нм [3]. Сильно концентрированные магнитные жидкости (высокое значе- ние поля насыщения магнитного момента) максимальную текучесть приобретают с частицами больших радиусов maxr , сферической формы, покрытых ПАВ минимальной толщины minδ . Такие предпочтения противоречат условиям устойчивости коллоида и триботехнологическим требованиям рабочих поверхностей. Решающее значение на состояние и поведение магнитных масел имеет объемная доля дисперс- ной фазы (магнетита), рис. 1. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Практические аспекты создания магнитных масел Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 34 7,5 5 2,5 0 И зм ен ен ие о т но си т ел ьн ой в яз ко ст и η r– 1 10 Температура Т = 40ºС Угловая скорость D = 300 c-1 Напряженность магнитного поля Н = 0 кА/м Основа: – АР 201 – ТКп – L9 0,35 0,05 0,1 0,2 Гидродинамическая объемная доля ϕh 0,15 0,25 0,3 Рис. 1 – Зависимость изменения вязкости от гидродинамической объемной доли частиц С увеличением объемной доли частиц вязкость увеличивается. Учитывая влияние магнетита на износ [4, 5] объемную долю дисперсной фазы следует выбирать наименьших величин, достаточных для реализации управляемости и удержания ММ в заданных скоростных режимах работы устройств. В присутствии магнитного поля вязкая диссипация увеличивается. Если векторы течения жидко- сти и магнитного поля параллельны, наличие намагниченности не влияет на коэффициент вязкости. Если эти векторы перпендикулярны, то вклад намагниченности в коэффициент вязкости максимален. С возрастающей напряженностью магнитного поля вязкость повышается и ньютоновский харак- тер текучести изменяется к структурновязкому, рис. 2. 0,6 0,3 0,15 0 1250 2500 Скорость сдвига D, с-1 В яз ко ст ь η , П а⋅ с 0,45 Вакуумное масло: ВМ-3 Температура: Т=40°С 3750 5000 Н=160 кА/м Н=120 кА/м Н=80 кА/м Н=40 кА/м Н=0 кА/м Рис. 2 – Изменение вязкости ММ Работоспособность узла трения смазываемого ММ во многом определяется коллоидной ста- бильностью масла. Время расслоения ММ зависит от его свойств, величины и градиента магнитной ин- дукции [6], что можно представить в виде: BMr hg t ∆⋅⋅⋅ ⋅η⋅ = 22 , (3) где g – ускорение силы тяжести; η – динамическая вязкость дисперсионной фазы ММ; h – половина величины зазора; r – радиус частицы магнетита; M – намагниченность ММ; B∆ – индукция магнитного поля. Если принять величину зазора за конструктивную константу, то можно видеть, что на стабиль- ность влияет вязкость дисперсной среды, показатели магнитного поля, особенно, величина частиц магне- тита, чем она больше, тем скорее произойдет потеря стабильности ММ. При этом следует учитывать, что распределение частиц помола магнетита указывает на повышенное количество частиц порядка 8 - 10 нм. Кроме того, наименьшее абразивное влияние оказывают частицы размерами порядка 3 - 4 нм. Поэтому, все указывает на целесообразность использования частиц меньших размеров. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Практические аспекты создания магнитных масел Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 35 Приведенная формула (3) несовершенна, например, в ней отсутствуют характеристики ПАВ, ко- торые влияют на стабильность ММ. Повышению стабильности физико-химических свойств ММ способствует замена гидрофильных ПАВ, применяемых для стабилизации высокодисперсного магнетита, на гидрофобные ПАВ. В магнитном масле [7] в качестве гидрофобного стабилизатора использована синтетическая нафтеновая кислота «СНК(Д)-4», имеющая стабильные состав и структуру молекулы. Способ получения магнитного масла состоит в следующем. Растворяют O6HFeCl 23 ⋅ в дистиллированной воде, затем растворяют O4HFeSO 24 ⋅ в дистил- лированной воде при температуре 35 °С. Растворы солей, не смешивая предварительно, вводят в 25 %-ный раствор аммиака при перемешивании. Смесь подогревают до 45 °С и вводят постепенно гидрофобный стабилизатор «СНК(Д)-4», не переставая подогревать до 50 °С. При температуре 50 °С и перемешивании в смесь вводят вакуумное масло – ВМ-3, нагревая ее до 55 °С. Осуществляется отделение застабилизированного магнетита )O(Fe 43 от маточного раствора. На- гревание прекращают, отстаивают на магнетите 10-15 мин., сливают воду; промывают дистиллирован- ной водой до pH 8-9, максимально удаляют воду. Остаток при перемешивании нагревают до 50 °С и добавляют стабилизатор «СНК(Д)-4» и отде- ляют на магните остаток воды. Нагревают при перемешивании до 55 - 60 °С и постепенно добавляют вакуумное масло (ВМ-3), отстаивают на магните и максимально удаляют воду Полученную реакционную массу при перемешивании нагревают до 80 °С и диспергируют в те- чении одного часа. Изготовленные ММ центрифугируют в течение одного часа при 10000g, что позволя- ет отделять магнитную жидкость от более стойкой коллоидной дисперсной фазы. Магнитная жидкость при этом не расслаивается и имеет стабильные свойства: намагниченность – 85 кА/м (1100Гс); плотность – 1,6 г/см3. Представление о существенном преимуществе смазочной способности магнитной жидкости в сравнении с дисперсной средой, на основе которой она изготовлена [8], сменилось устойчивым понима- нием, что эти способности в лучшем случае равны. Как правило магнитные жидкости по этому показате- лю проигрывают [1]. С целью улучшения триботехнического качества вводят присадки, повышающие задиростой- кость, свойства масляной пленки, организующие избирательный перенос. Выводы 1. Не существует однозначных рецептов подбора ММ для различных узлов трения. Проектиро- вание и подбор магнитного масла для смазывания механических систем – сложная компромиссно- оптимизационная проблема. 2. Имеется по-крайней мере три области использования ММ, определяющих их принципиаль- ные различия по составу: гидродинамическое трение, граничное трение и количество заправок (однора- зовые, возобновляемые). 3. Приведены рекомендации по созданию магнитных масел с учетом количественного и качест- венного подбора дисперсной среды, дисперсной фазы и ПАВ. Литература 1. Болотов А.Н. Триботехника магнитопассивных опор скольжения [Текст]: монография / А.Н. Болотов, В.Л. Хренов. Тверь: ТГТУ, 2008. – 124 с. 2. Patzwald R. Magnetische Flussigkeiten als Schmierstoff in hydrodynamischen Gleitlagern. Berlin: PTZ, 2001. – 200 s. 3. Розенцвейг Р. Феррогидродинамика: Пер. с англ. – М.: Мир, 1983. – 386 с. 4. Сачек Б.Я., Логинов А.Р. Исследование изнашивания бронзы в жидкостях-носителях ФМЖ. Плес-4-3, 1985. – С. 83-84. 5. Соловьев С.Н., Трофимова Е.В. Реализация режима избирательного переноса в магнито- жидкостных устройствах. «Проблемі техніки», Одеса: ОНМУ, 2003. – №3. – С. 62-68. 6. Сайкин М. С. Разработка магнитожидкостных герметизаторов вращающихся валов [Элек- тронный ресурс] // – URL: http://sibac.info/index.php/2009-07-01-10-21-16/1387-2012-03-02-16-42-14.html (дата обращения: 02.03.12). 7. Патент України № 31937 А. Спосіб одержання феромагнітної рідини. / Соловйов С.М., Шев- ченко Н.Д., Кельїна С.Ю., Івахненко М.М., Нурієв Л.Г., Сергеєва О.В. (Україна) – Заявлено 24.11.1998; Опубл. 15.12.2000. Бюл. № 7-ІІ 8. Польцер Г., Майсснер Ф. Основы трения и изнашивания: Пер. с нем./Под ред. Добычина М.Н. – М.: Машиностроение, 1984. – 264 с. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://sibac.info/index.php/2009-07-01-10-21-16/1387-2012-03-02-16-42-14 http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com