13_Mnacakanov.doc Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 68 Мнацаканов Р.Г., Лізанець В.І. Національний транспортний університет, м. Київ, Україна ВПЛИВ КОНЦЕНТРАЦІЇ РІПАКОВОЇ ОЛИВИ НА ТРИБОТЕХНІЧНІ ПАРАМЕТРИ КОНТАКТУ Постановка проблеми Розробка ефективних мастильних матеріалів, підбір і визначення оптимальних режимів їх засто- сування повинні ґрунтуватися на ясному розумінні механізму утворення мастильних шарів, оскільки в них локалізуються зсув, термічні й інші процеси, які визначають стан трибосистеми в цілому. В 50-ті роки виявлене й розпочате дослідження самогенеруючих органічних плівок (СОП), що утворюються з мінеральних олив на поверхнях тертя. Такі плівки мають високі протизносні властивості й відіграють найважливішу роль у забезпеченні нормальної роботи різних вузлів тертя, зокрема зубча- стих передач. Формування шарів СОП і їх властивості значною мірою визначаються хімічним складом мас- тильних матеріалів. Складовою частиною сучасних мастильних матеріалів на основі мінеральних олив є вуглеводневі кислоти - парафінового й нафтенового ряду. Ці кислоти присутні в невеликих кількостях у мінеральних оливах внаслідок недосконалості очищення олив, а також у результаті їх широкого застосу- вання як компонентів присадок різного призначення. Аналіз досліджень і публікацій Сучасний стан використання рослинних олив як мастильних матеріалів - машинних олив, плас- тичних мастил, мастильно-охолоджуючих технологічних засобів (МОТЗ), мастильних паст, брикетів і покриттів - періодично висвітлюється в публікаціях [1]. Дослідження хімії і технології рослинних олив як антифрикційних матеріалів та створення композиційних мастильних матеріалів на їх основі стимулює прогнозована вичерпаність розвіданих покладів вугілля, нафти та газу. Крім того, мінеральні і синтетичні мастильні матеріали, які використовує сучасна техніка, є потужними забруднювачами навколишнього середовища. Рослинні оливи перспективні як самостійні мастильні матеріали та дисперсійне середовище для композиційних рідких і пластичних мастил та рідких палив. За останні 10-15 років різко зросла заці- кавленість науковців і споживачів практичним застосуванням рослинних олив, а також продуктів і від- ходів їх переробки як базових компонентів і присадок до мінеральних олив [2]. Систематичні дослідження, які присвячені антифрикційним та іншим властивостям рослинних олив, присадок та пластичних мастил на їх основі, вельми нечисельні, і до того ж майже не вивчені механізми їх дії, процеси хімічної модифікації металевих поверхонь тертя та властивості плівок, що утворюються на таких поверхнях. Таблиця 1 Хімічний склад ріпакової оливи за вуглеводневими кислотами Кислота Вміст у % Насичені жирні кислоти Миристинова 0,5 Пальмітинова 2-4 Стеаринова 1-1,5 Арахінова 0,5 Бегенова 1 Лігноцеринова 1 Ненасичені жирні кислоти Пальмітолева сліди Олеїнова 15 - 60 Гадолеїнова 2 - 7 Ерукова 5 - 60 Лінолева 15 - 20 Ліноленова 7 - 9 Рослинні оливи являють собою складні ефіри гліцерину та вищих одноосновних карбонових кис- лот. За [1] основні хімічні компоненти олив складають олеїнова, лінолева, пальмітинова, стеаринова, арахінова, бегенова і ліноленова кислоти. Крім того, ріпакова олива містить також ерукову, гадолеїнову, лігноцеринову і міристинову кислоти (табл. 1). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 69 Аналіз фізико-хімічних властивостей ріпакової оливи [1] показав, що температура її плавлення коливається від -15 до -4 °С; густина при 15 °С - від 911 до 918 кг/м3; температура деструкції - від 240 до 250 °С; число омилення від 170 до 196 мг КОН/г; йодне число від 94 до 106 мг І2/100г; дистиляційне чис- ло - 36,5. Рослинні оливи мають достатньо високу молекулярну масу в межах 850-940, що визначає їх ни- зьку леткість навіть при глибокому вакуумі. Рослинні оливи нерозчинні у воді, малорозчинні у спиртах і добре розчиняються у хлороформі, чотирихлористому вуглеводні, ацетоні, бензині, діетиловому ефірі, бензолі і сірковуглеводні [3]. Такі характеристики ріпакової оливи дають підстави стверджувати, що їх можна використовува- ти в якості ефективних дисперсійних середовищ і для синтезу присадок протизадирного, протизносного та комплексного призначення композиційних мастильних матеріалів та мастильно-охолоджуючих тех- нологічних засобів і паст для механічної обробки металів [4]. Мета роботи Метою проведених досліджень було дослідження механізму впливу концентрації ріпакової оли- ви в базовій основі І-20А на формування шарів СОП і їх змащувальну дію в умовах локального контакту, а також встановлення закономірностей зношування пар тертя. Результати досліджень Випробування проводилися на установці СМЦ-2 по схемі ролик-ролик в сталому режимі тертя (сумарна швидкість кочення 1,46 м/с). В дослідах при відносному ковзанні 15 % в якості зразків викори- стовувались циліндричні ролики (d = 50 мм), виготовлені зі сталі Ст. 45, при контактному навантаженні σmax 312 МПа. Початкова об’ємна температура оливи складала 14 °С, після 2 годин випробувань поступово зростала до 30 °С. В якості мастильного матеріалу використовувались базова мінеральна олива І-20А та її суміші мінеральної оливи І-20А з добавками ріпакової оливи в концентрації (0,1; 0,2; 1 і 2 %). Зношування твердих поверхонь є складним процесом, який частіше за все обумовлений як хімічною взаємодією, так і фізичним пошкодженням поверхонь. Будь-яка незначна зміна умов тертя мо- же повністю змінити характер зношування. При змащуванні сталі Ст. 45 мінеральною оливою І-20А встановлено, що із збільшенням концентрації ріпакової оливи зростає лінійний знос контактних повер- хонь – при 0,2 % ріпакової оливи сумарний знос підвищився на 39 %, при 1 % – на 40 %, при 2 % – на 87 % в порівнянні з даним параметром при мащенні товарною оливою І-20А, а при додаванні 0,1 % ріпакової оливи сумарний знос зменшився на 16 % (рис. 1). Рис. 1 – Дослідження зносу контактних поверхонь в залежності від концентрації ріпакової оливи З рис. 1 видно відмінність лінійного зносу для випереджаючої та відстаючої поверхонь. Вста- новлено, що при концентрації ріпакової оливи 0,2 та 1 % більш зносостійким є випереджаючий зразок, а при концентрації 0,1 та 2 % – відстаючий зразок. Так, при вмісті ріпакової оливи 2 %, знос випереджаючої поверхні збільшився приблизно на 72 %, в порівнянні з аналогічним параметром при нижчій концентрації. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 70 Кількісні характеристики зносу випереджаючої та відстаючої поверхонь залежать від динаміки процесів зміцнення-розміцнення поверхневих шарів металу (табл. 2). Таблиця 2 Закономірність зміни мікротвердості зразків, виготовлених зі сталі Ст. 45, при напрацюванні Відстаючий зразок Випереджаючий зразок Концкнтрація ріпакової оливи 0,1 % Мікротвердість до експерименту (МПа) 6063,1 6674,5 Мікротвердість після експерименту (МПа) 9270 (зміцнення) 8408,2 (зміцнення) Концкнтрація ріпакової оливи 0,2 % Мікротвердість до експерименту (МПа) 6792 643,3 Мікротвердість після експерименту (МПа) 6254 (розміцнення) 7567 (зміцнення) Концкнтрація ріпакової оливи 1% Мікротвердість до експерименту (МПа) 7585 6746 Мікротвердість після експерименту (МПа) 6958 (розміцнення) 5132 (розміцнення) Концкнтрація ріпакової оливи 2 % Мікротвердість до експерименту (МПа) 7617 4578 Мікротвердість після експерименту (МПа) 5382 (розміцнення) 7567 (зміцнення) Встановлено, що після напрацювання знос відстаючої поверхні при 0,1; 0,2; 1 та 2 % об’ємного вмісту ріпакової оливи склав відповідно 0,561; 1,648; 1,716; 1,758 мкм, при цьому мікротвердість повер- хневих шарів металу у випадках 2 – 4 знизилась на 538:627:2235 МПа відповідно, що свідчить про розмі- цнення поверхні тертя, а у випадку 1 – суттєво збільшилась на 320,69 МПа, що свідчить про її суттєве зміцнення. Для випереджаючого зразка встановлений зворотній зв'язок між зносом та мікротвердістю по- верхневих шарів металу. Так, у випадках 1, 2 та 4 знос склав відповідно 1,33; 1,492 та 2,449 мкм і при цьому відбулося значне зміцнення приповерхневих шарів матеріалу зразка на 1733,7:1134:2989 МПа відповідно, а у випадку 3 – мікротвердість зменшилась на 1614 МПа. Проте, при змащуванні мінеральною оливою І-20А з 0,1 % ріпакової оливи лінійний знос випереджаючої поверхні в два рази більший, ніж відстаючої. Ми вважаємо, що механізм цього процесу полягає в наступному. Вплив тангенціальних знакозмінних напруг на поверхню металу послаблюється у міру формування граничних адсорбційних шарів. Оскільки зміцнення відстаючої поверхні відбулося більш інтенсивно (Н200 = 9270 МПа – відстаюча, Н200 = 8408,2 МПа – випереджаюча), то збільшення зносу зумовлено підвищеним стиранням менш зміцненого поверхневого шару випереджаючого зразка. На наш погляд, по мірі формування граничних плівок відбувається розміцнення поверхневих шарів металу на відстаючій поверхні, має місце ефект Ребіндера – окислювально-полімеризаційні плівки починають інтенсифікувати пластифікацію поверхні металу і відбувається зниження мікротвердості. То- му при початковому формуванні граничних шарів на контактних поверхнях проявляється пластифікуючий ефект Ребіндера внаслідок різновекторної направленості сил тертя на випереджаючій та відстаючій поверхнях. По мірі адаптації граничних плівок на випереджаючій поверхні відбувається зміцнення поверхневих шарів металу, що, на нашу думку, є наслідком пластифікації: за наявності на по- верхнях тертя самоорганізуючих органічних плівок в процесі напрацювання метал розм’якшується, всі деформації, пустоти виходять назовні, при подальшому напрацюванні це сприяє утворенню мілкої зернистої структури і тим самим приповерхневі шари металу зміцнюються. Саме цим процесом роз’яснюється величина зносу поверхонь. Про механізм дії присадок вуглецевих кислот на шари СОП можна судити по тому, що низькомолекулярні вуглецеві кислоти розчиняють шари таких плівок. Введення вуглецевих кислот не змінює характер приросту товщини мастильного шару (рис. 2) й температури (рис. 3), що мали місце при випробуванні базової оливи. Однак мастильні шари утворюють- ся при цьому повільніше. З досліджень проглядається вплив присадок вуглеводневих кислот на мастильні шари. З підви- щенням концентрації ріпакової оливи приріст товщини змащувального шару збільшується в середньому на 9 % і 4 % у випадках з концентрацією 0,1 % та 0,2 % відповідно, а при концентрації 1 % та 2 % - зме- ншується на 10 % і 22 % відповідно. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 71 Рис. 2 – Формування товщини мастильного шару в контакті Рис. 3 – Приріст об’ємної температури оливи в контакті Для пояснення встановлених закономірностей формування мастильного шару були досліджені реологічні характеристики (ефективна в'язкість (ηеф), градієнт швидкості зсуву (γ), напруга зсуву масти- льного шару (τ)) олив в контакті згідно методиці [5] (табл. 3 - 6). Таблиця 3 Зміна основних характеристик змащувальної дії в умовах стаціонарного режиму тертя мінеральної оливи І-20А з концентрацією ріпакової оливи 0,1% (σ=312 МПа, t=14°С) Час, хв h, мкм ηеф·102, Па · с γ · 104, с-1 τ, МПа 10 4,875 0,057 2,642 0,151 20 2,025 0,021 7,087 0,168 30 2,789 0,026 5,510 0,145 40 3,281 0,030 4,894 0,147 50 2,984 0,033 4,020 0,131 60 3,591 0,038 3,335 0,128 70 3,653 0,039 3,309 0,128 80 3,467 0,036 3,561 0,128 90 3,095 0,031 4,114 0,129 100 3,505 0,036 3,362 0,121 110 3,144 0,032 3,729 0,121 120 3,478 0,032 4,013 0,113 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 72 Таблиця 4 Зміна основних характеристик змащувальної дії в умовах стаціонарного режиму тертя мінеральної оливи І-20А з концентрацією ріпакової оливи 0,2 % (σ = 312 МПа, t = 14 °С) Час, хв h, мкм ηеф·102, Па · с γ · 104, с-1 τ, МПа 10 0,815 0,009 14,556 0,135 20 3,309 0,034 4,335 0,148 30 2,409 0,028 4,875 0,139 40 3,059 0,031 3,846 0,118 50 3,300 0,032 3,630 0,115 60 2,764 0,025 4,578 0,113 70 2,819 0,023 4,669 0,105 80 2,989 0,022 4,162 0,091 90 3,280 0,024 3,825 0,093 100 2,454 0,018 5,107 0,092 110 3,208 0,022 4,095 0,090 120 3,687 0,023 3,909 0,088 Таблиця 5 Зміна основних характеристик змащувальної дії в умовах стаціонарного режиму тертя мінеральної оливи І-20А з концентрацією ріпакової оливи 1 % (σ = 312 МПа, t = 14 °С) Час, хв h, мкм ηеф·102, Па · с γ · 104, с-1 τ, МПа 10 3,205 0,039 3,927 0,154 20 4,412 0,045 2,645 0,120 30 1,647 0,019 7,433 0,138 40 0,633 0,006 19,882 0,113 50 1,511 0,015 7,473 0,110 60 2,291 0,019 5,453 0,102 70 2,333 0,019 5,592 0,104 80 1,886 0,014 6,362 0,090 90 2,521 0,018 4,733 0,086 100 2,114 0,014 5,690 0,081 110 3,494 0,025 3,553 0,087 120 3,506 0,022 3,684 0,080 Таблиця 6 Зміна основних характеристик змащувальної дії в умовах стаціонарного режиму тертя мінеральної оливи І-20А з концентрацією ріпакової оливи 2% (σ = 312 МПа, t = 14 °С) Час, хв h, мкм ηеф·102, Па · с γ · 104, с-1 τ, МПа 10 1,148 0,014 11,037 0,160 20 2,371 0,030 3,956 0,118 30 1,213 0,012 9,930 0,121 40 2,798 0,026 4,439 0,113 50 1,910 0,018 6,731 0,124 60 3,591 0,034 2,866 0,096 70 2,424 0,022 4,283 0,095 80 2,653 0,024 3,936 0,094 90 1,941 0,017 6,335 0,105 100 2,253 0,018 5,664 0,103 110 1,885 0,014 7,308 0,103 120 2,629 0,018 5,520 0,102 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 73 Дослідження процесу формування адсорбційних шарів і реологічних характеристик мінеральної оливи І-20А з різним вмістом ріпакової оливи при σmax = 312 МПа дозволяє нам припустити про реаліза- цію наступного механізму мащення в контакті. У міру напрацювання в умовах експерименту збільшуєть- ся товщина адсорбційного шару і виникає монокристалічна зона граничного шару, яка характеризується малим опором ковзанню. Так, бездипольні молекули вуглеводнів при переході з розчиненого стану в твердо-кристалічний, під впливом поля твердої фази металу, зазнають зміни в структурі і орієнтується так, що їх осі лежать в площині, дотичній до поверхні [6]. Такий спосіб орієнтації характеризується слаб- кою адсорбційною взаємодією молекул, про що свідчить і зменшення напруги зсуву мастильного шару олив в ході експерименту (рис. 4). Ахматов А.С. [7] характеризує такий режим тертя як режим рубіжного гідродинамічного тертя, для якого характерний нематичний механізм мащення. Для такого режиму ма- щення характерні низькі значення коефіцієнта тертя. Дослідження антифрикційних властивостей олив І- 20А підтверджує наше припущення про нематичний механізм ковзання молекул олив – в умовах динамі- чного навантаження при 312 МПа зафіксовані наступні коефіцієнти тертя (рис. 5). Коефіцієнти тертя, характерні для І-20А, у міру напрацювання, після адаптації адсорбційного шару більші в середньому на 11 % для 0,1 % ріпакової оливи, а для 0,2; 1 і 2 % зменшуються на 15; 23 і 2 % відповідно. Кращий прояв антифрикційних властивостей олив обумовлений, насамперед, утворен- ням стабільних молекулярних текстур з паралельною орієнтацією молекул. Зменшення коефіцієнта тертя на наш погляд, пов'язано із зменшенням енергії взаємодії молекул, що підтверджується зниженням на- пруг зсуву мастильного шару в порівнянні з базовою оливою І-20А. Рис. 4 – Зміна напруги зсуву мастильного шару олив в ході експерименту Рис. 5 – Зміна коефіцієнта тертя при напрацюванні в стаціонарному режимі тертя Дані мікрофотографічного дослідження контактних поверхонь характеризуються наступними закономірностями (табл. 7). Найбільш суттєві зміни на поверхнях тертя встановлені для відстаючого зразка при концентрації ріпакової оливи 1 % та для випереджаючого зразка при концентрації 0,1 %, що можна пояснити наявніс- тю сформованого адсорбційного шару фізичної природи і хемосорбційної плівки при напрацюванні, в PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Вплив концентрації ріпакової оливи на триботехнічні параметри контакту Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2011, № 2 74 решті випадків сформовані мінеральною оливою адсорбційні шари мають фізичну природу – внаслідок слабкої адсорбційної взаємодії молекул легко видаляються з поверхні металу при витиранні роликів. Таблиця 7 Оптичне дослідження поверхонь тертя після напрацювання Концентрація ріпакової оливи 0,1 % Після досліду До досліду Випереджаюча поверхня Відстаюча поверхня Концентрація ріпакової оливи 0,2 % Концентрація ріпакової оливи 1 % Концентрація ріпакової оливи 2 % У випадку з 2 % концентрацією ріпакової оливи, на випереджаючій поверхні є явні сліди руйну- вання граничного шару і утворених хемосорбційних плівок в наслідок більш інтенсивного металевого контакту пар тертя при напрацюванні. Висновки Дослідження впливу концентрації ріпакової оливи в мінеральній оливі І-20А на формування адсорбційних шарів і їх змащувальну дію в умовах локального контакту дозволило встановити закономірності зношування пар тертя. Встановлені закономірності формування мастильного шару в контакті: в трибоспряженні сталь-сталь формування шарів затримується при початковому напрацюванні, в подальшому, при стабілізації основних триботехнічних параметрів контакту їх кінцева товщина зменшується. Визначено вплив граничних плівок на зміну мікротвердості поверхневих шарів металу при напрацюванні. Література 1. Виноградова И.Е. Противоизносные присадки к маслам. – М.:Химия, 1972. – 272 с. 2. Крачун А.Т., Морарь В.Э., Крачун. СВ. // Трение и износ. – 1990. – 11, №5. – С. 929-932. 3. Фукс И.Г., Евдокимов А. Ю., Джамалов А. А. // Химия и технология топлив и масел. – 1992. – № 6. – С. 36-38. 4. Сіренко Г.О., Сав'як О.Л. // Вісник Прикарп. ун-ту. – 2002. – №3. – С. 117-142. 5. Дмитриченко Н.Ф., Мнацаканов Р.Г. Смазочные процессы в условиях нестационарного тре- ния. – Житомир:ЖИТИ, 2002. – 308 с. 6. Нефтепродукты. Свойства, качество, применение: Справочник. / Под ред. Б.В.Лосикова. – М.: Химия, 1966. – 398 с. 7. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. – М.: ГИФМА, 1963. – 472 с. Надійшла 23.03.2011 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com