Eng
Главная Научная база Геоэнергетические основы использования минералов в качестве модификаторов трения
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 84 гостей онлайн
Геоэнергетические основы использования минералов в качестве модификаторов трения

Геоэнергетические основы использования минералов в качестве модификаторов трения

Среди обширного комплекса технологических свойств минералов менее других наукой изучены их триботехнические свойства. Целью исследования было показать, что последние, как и прочностные, термические и другие свойства, так или иначе связаны с энергетикой минералов и, в частности, с их энергоплотностью, а общая триботехническая оценка ММТ должна производиться по трем основным критериям: энергоплотности, активности к водороду и взаимодействию с водой.

Энергоплотность

Энергетические подходы применяются при количественном описании тех или иных физических свойств кристаллов. Они дают возможность целенаправленного выбора тех энергетических параметров, которые обеспечивают наиболее достоверные зависимости по оценке того или иного свойства кристалла.

Использование параметров энергоплотности позволяет объективно оценивать энергетическую стабильность и, соответственно, качество (надежность) твердофазных модификаторов трения, рекомендуемых для формирования пленочных покрытий на поверхностях металлических узлов трения.

Сравнительный анализ свойств кристаллических соединений показывает, что модифицирование металлических поверхностей трения (состава Fe, Ni, Co и др.) частью слоистых соединений с низкими параметрами энергоплотности Ev приводит к энергетической дестабилизации подложек. И, наоборот, рекомендуемые нами ММТ обладают довольно высокими энергетическими параметрами Ev, заметно превышающими Ev металлов, что в итоге приводит при использовании этих модификаторов к упрочнению, стабилизации металлических поверхностей трения и решению проблемы их безызносности.

Нами выполнен расчет параметров Em и Ev некоторых типичных ММТ, рекомендуемых к промышленному использованию. Из этих данных следует, что рекомендованные ММТ представлены минералами, характеризующимися, в основном, слоистыми структурами и довольно высокими и близкими друг к другу параметрами энергоплотности: средняя величина Ev ≈ 82 кДж/см3, что соответствует ранее вычисленной средней величине энергоплотности метаморфических горных пород земной коры (Зуев, 1995). Рассмотренный процесс разложения слоистых фаз выбранных минералов в узлах трения приводит к образованию именно высокоэнергоплотных координационных фаз форстерита и кремнезема, обладающих высокой твердостью.

Подробнее о связи свойств минералов с их энергоплотностью и таблицами энергоплотности веществ можно ознакомиться в работе: Зуев В. В. «Конституция, свойства минералов и строение Земли (энергетические аспекты)» (СПб.: Наука, 2005).

Абсорбация водорода

В силикатных геомодификаторах определенного типа имеются силоксановые (мостиковые) связи Si–О–Si, при разрыве которых вследствие разрушения (измельчения) минерала образуются нескомпенсированные оборванные связи Si–O- или Si–O•, являющиеся активными акцепторами водорода в форме Н+ или Н•. При их взаимодействии образуются скомпенсированные силанольные группы Si–ОН. Таким образом, вводя в смазку тонкоизмельченный минерал, обладающий большой удельной поверхностью и большим числом оборванных силоксановых связей, мы создаем за их счет условия для связывания находящиеся в зоне трения активного водорода, т. е. препятствуем его взаимодействию с металлом и предотвращаем его водородный износ.

Если считать оборванные силоксановые связи поверхностными дефектами силиката, то адсорбция водорода с образованием силанольных групп ≡ Si–О–Н есть способ энергетической компенсации таких дефектов, своего рода «самозалечивание» минерала. Отсюда можно сделать вывод, что силикаты с оборванными связями Si–О–Si являются, вообще говоря, эффективными адсорбентами, поглотителями, акцепторами активного водорода, и, следовательно, могут применяться для решения проблемы водородного износа металлов в узлах трения.

Весьма тонко измельченные силикаты и кварц являются, по-видимому, уникальным в этом смысле ММТ, поскольку анализ соответствующих величин энергии связей показал, что для других кислородсодержащих минералов соответствие (близость) величин D(H–О) и D(Me–О) не имеет места.

Рассмотренный механизм адсорбции водорода минералами не является единственным. Так, в работе (Skogby, Rossman, 1989) установлен другой механизм, связанный с восстановлением Fe3+ в силикатах согласно реакции

Fe3+ + О2- + ½H2 → Fe2+ + ОН-.

В минералах, содержащих ионы Fe3+ и О2- – оксидах, гидроксидах железа (гематите, гетите, магнетите и др.), этот механизм адсорбции водорода вполне реален.


Использование в качестве ММТ слоистых силикатов типа серпентинита особенно эффекивно в узлах трения с экстремальными нагрузками в виде высоких температур и давлений. Дело в том, что еще в 1948 году Хей и Баннистер (Hey, Bannister, 1948) доказали термическое преобразование серпентина при Т = +600°С согласно реакции:

Mg6[Si4O10](OH)8 → 3Mg2SiO4 + SiO2 + 4H2O.

Процесс разложения серпентина доказан термическим и рентгенометрическим методами фазового анализа, реакция эта эндотермическая, требует затрат энергии порядка 336 кДж/моль, в результате образуются тонкодисперсные форстерит и кремнезем, энергоплотности которых составляют: Ev(Mg2SiO4) = 90 кДж/см3, Ev(SiO4) = 83 кДж/см3.

Тонкодисперсный материал форстерита и кремнезема (в значительной степени аморфизованный) заполняет микропоры, микротрещины, различного рода дефекты на поверхностях узла трения, что ведет, естественно, к значительному их упрочнению. Следует обратить внимание на заметную разницу в относительной твердости указанных новообразованных минеральных фаз (около 6–7 по Моосу) и материала узла трения, например, стали (4–5 по Моосу).

Отсюда вытекает, что сильный разогрев узла трения при больших нагрузках может «гаситься» эндотермической реакцией разложения находящегося в зоне трения ММТ.

Таким образом, сложные силикатные ММТ определенных типов путем термического разложения способны «отводить», гасить излишнюю энергию в узле трения, способствуя продлению его ресурса.

Гидрофильно-гидрофобные свойства

К настоящему времени можно считать доказанным, что вода играет весьма конструктивную роль в процессах трения (Маринич, 1994), она создает условия для явлений проводимости, диффузии ионов и массопереноса в узле трения, реализации окислительно-восстановительных процессов для атомов (ионов) переменной валентности – Fe, Cu, Со, Ni, Ti, V, Cr, присутствующих на поверхностях узлов трения и в материале ММТ и т. д. Указанные сложные процессы и явления, происходящие при непосредственном участии воды как среды-катализатора, в конечном счете обеспечивают благоприятные условия для формирования антифрикционных пленочных зеркал скольжения (на поверхностях узлов трения) с одновременным упрочнением поверхностей узлов трения путем залечивания дефектов, вакансий и других нарушений, что в конечном счете приводит к восстановлению (в той или иной степени) более совершенной, близкой к идеальной кристаллической структуры поверхностных зон узлов трения и соответственно к продлению их ресурса. Именно поэтому способность аккумулировать и удерживать воду в необходимых количествах – является весьма важным свойством ММТ. Естественно, что это свойство определяется, во-первых, составом геомодификатора, наличием ОН-групп, связанной, так называемой конституционной воды и, во-вторых, что более важно, его взаимодействием с водой, мерой которого является энергия смачивания (Зуев, 1990). По этому параметру рекомендуемые ММТ обладают существенным преимуществом перед традиционными твердыми смазками типа графита, талька и молибденита.

Краткие итоги исследования:

1. Оценка критериев.

Энергоплотность (Ev) – важнейший оценочный критерий рекомендуемых ММТ. Однако наряду с ним имеются и другие важные критерии: способность модификаторов к адсорбции водорода и их гидрофильно-гидрофобные свойства

2. Экономические аргументы в пользу рекомендуемых природных ММТ по сравнению с их синтетическими аналогами.

Современные промышленные твердофазные модификаторы трения, различного рода присадки к смазочным материалам – это весьма дорогостоящие композиционные материалы, изготавливаемые по сложным, многостадиальным технологиям на специальных предприятиях, в их состав входят ценные цветные и редкие металлы, сложные металлоорганические соединения и т. д. И, наоборот, минеральное сырье типа серпентинита – это бедные забалансовые медно-никелевые руды. Кроме того, для триботехнических целей можно использовать отходы (хвосты) обогащения.

По материалам научной работы д.т.н., академика РАЕН Зуева В. В. и его книги «Конституция, свойства минералов и строение Земли (энергетические аспекты)», выпущенной издательством «Наука» в 2005 году.