Сухая смазка

Для проверки этой статьи нужны дополнительные цитаты . Помогите улучшить эту статью , добавив ссылки на надежные источники . Неподтвержденные материалы могут быть оспорены и удалены. Найти источники:  «Сухая смазка» – новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2010 г. ) ( Узнайте, как и когда удалять это сообщение )

Сухие смазочные материалы или твердые смазочные материалы — это материалы, которые, несмотря на то, что находятся в твердой фазе, способны уменьшать трение между двумя поверхностями, скользящими друг по другу, без необходимости использования жидкой масляной среды. ^[1]

Два основных сухих смазочных материала — графит и дисульфид молибдена . Они обеспечивают смазку при температурах выше, чем работают жидкие и масляные смазки. Сухие смазки часто используются в таких приложениях, как замки или подшипники с сухой смазкой. Такие материалы могут работать при температуре до 350 °C (662 °F) в окислительных средах и даже выше в восстановительных/неокислительных средах (дисульфид молибдена до 1100 °C, 2012 °F). Низкофрикционные характеристики большинства сухих смазочных материалов объясняются слоистой структурой на молекулярном уровне со слабой связью между слоями. Такие слои способны скользить относительно друг друга с минимальной приложенной силой, что придает им низкофрикционные свойства.

Однако слоистая кристаллическая структура сама по себе не обязательно достаточна для смазки. Фактически, существуют некоторые твердые вещества с непластинчатой ​​структурой, которые хорошо работают как сухие смазки в некоторых приложениях. К ним относятся некоторые мягкие металлы ( индий , свинец , серебро , олово ), политетрафторэтилен , некоторые твердые оксиды, фториды редкоземельных элементов и даже алмаз . ^[2]

Ограниченный интерес был проявлен к свойствам низкого трения уплотненных слоев оксидной глазури, сформированных при нескольких сотнях градусов Цельсия в металлических системах скольжения. Однако практическое использование все еще отстает от них на многие годы из-за их физически нестабильной природы.

Четыре наиболее часто используемых твердых смазочных материала:

1. Графит. Используется в воздушных компрессорах , пищевой промышленности, железнодорожных стыках, клапанах духовых инструментов, фортепианных механизмах, открытых передачах, шарикоподшипниках , механических работах и ​​т. д. Он также очень распространен для смазки замков , поскольку жидкая смазка позволяет частицам застревать в замке, что ухудшает проблему. Его часто используют для смазки внутренних движущихся частей огнестрельного оружия в песчаной среде.
2. Дисульфид молибдена (MoS2 ₎ . Используется в шарнирах равных угловых скоростей и космических аппаратах. ^[3] Смазывает в вакууме.
3. Гексагональный нитрид бора . Используется в космических аппаратах. Также называется «белый графит».
4. Дисульфид вольфрама . Аналогично дисульфиду молибдена, но из-за высокой стоимости встречается только в некоторых подшипниках с сухой смазкой.

Графит и дисульфид молибдена являются основными материалами, используемыми в качестве сухих смазок.

Смазывающая способность многих твердых тел обусловлена ​​пластинчатой ​​структурой. Пластинки ориентируются параллельно поверхности в направлении движения и легко скользят друг по другу, что обеспечивает низкое трение и предотвращает контакт между скользящими компонентами даже при высоких нагрузках. Крупные частицы лучше всего работают на шероховатых поверхностях при низкой скорости, более мелкие частицы — на гладких поверхностях и при более высоких скоростях. Эти материалы можно добавлять в виде сухого порошка в жидкие смазочные материалы для изменения или улучшения их свойств.

Другие компоненты, которые являются полезными твердыми смазками, включают нитрид бора, политетрафторэтилен (ПТФЭ), тальк, фторид кальция , фторид церия и дисульфид вольфрама.

Твердые смазочные материалы полезны в условиях, когда обычные смазочные материалы неэффективны, например:

• Возвратно-поступательное движение. Типичное применение — скользящее или возвратно-поступательное движение, требующее смазки для минимизации износа, например, при смазке зубчатых передач и цепей. Жидкие смазки выдавливаются, а твердые не вытекают, предотвращая фреттинг, коррозию и истирание.
• Керамика. Другое применение — случаи, когда химически активные смазочные добавки не были найдены для определенной поверхности, например, полимеры и керамика.
• Высокая температура. Графит и MoS2 _{действуют} как смазочные материалы при высокой температуре и в окислительной атмосфере, где жидкие смазочные материалы обычно не выживают. Типичное применение включает крепежи, которые легко затягиваются и откручиваются после длительного пребывания при высоких температурах.
• Экстремальные контактные давления. Пластинчатая структура ориентируется параллельно поверхности скольжения, что приводит к высокой нагрузке подшипника в сочетании с низким напряжением сдвига . Большинство применений в обработке металлов давлением, включающих пластическую деформацию, используют твердые смазочные материалы.

Графит структурно состоит из плоскостей полициклических атомов углерода, которые имеют гексагональную ориентацию. Расстояние атомов углерода между плоскостями больше и, следовательно, связь слабее.

Графит лучше всего подходит для смазки на воздухе. Водяной пар является необходимым компонентом для графитовой смазки. Адсорбция воды снижает энергию связи между гексагональными плоскостями графита до более низкого уровня, чем энергия адгезии между подложкой и графитом. Поскольку водяной пар является необходимым условием для смазки, графит неэффективен в вакууме. ^[4] Поскольку графит является электропроводным, он может способствовать гальванической коррозии . В окислительной атмосфере графит эффективен при высоких температурах до 450 °C непрерывно и может выдерживать гораздо более высокие температурные пики.

Графит подразделяется на две основные группы: природный и синтетический.

• Синтетический графит представляет собой продукт высокотемпературного спекания и характеризуется высокой чистотой углерода (99,5−99,9%). Синтетический графит первичного сорта может приближаться по хорошей смазывающей способности к качественному натуральному графиту.
• Природный графит получают в результате добычи. Качество природного графита зависит от качества руды и ее обработки после добычи. Конечным продуктом является графит с содержанием углерода (высококачественный графит 96−98% углерода), серы, SiO ₂ и золы. Чем выше содержание углерода и степень графитизации (высококристаллический), тем лучше смазывающая способность и устойчивость к окислению.

Для применений, где требуется лишь незначительная смазывающая способность и требуется более теплоизолирующее покрытие, следует выбрать аморфный графит (80% углерода).

MoS ₂ добывают из некоторых месторождений, богатых сульфидами, и очищают для достижения чистоты, подходящей для смазочных материалов. Как и графит, MoS ₂ имеет гексагональную кристаллическую структуру с присущим ему свойством легкого сдвига. Смазочные свойства MoS ₂ часто превосходят свойства графита и эффективны также в вакууме, тогда как графит — нет. Температурное ограничение MoS ₂ при 400 °C ограничивается окислением. Размер частиц и толщина пленки являются важными параметрами, которые должны соответствовать шероховатости поверхности подложки. Крупные частицы могут привести к чрезмерному износу из-за истирания, вызванного примесями в MoS ₂ , а мелкие частицы могут привести к ускоренному окислению.

Гексагональный нитрид бора — это керамическая порошковая смазка. Наиболее интересной особенностью смазки является ее высокая термостойкость — рабочая температура 1200 °C в окислительной атмосфере. Кроме того, нитрид бора обладает высокой теплопроводностью. (Кубический нитрид бора очень твердый и используется в качестве абразивного и режущего инструмента.)

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) широко используется в качестве добавки в смазочные масла и смазки. Благодаря низкой поверхностной энергии ПТФЭ можно получать стабильные нефлокулированные дисперсии ПТФЭ в масле или воде. В отличие от других рассмотренных твердых смазочных материалов, ПТФЭ не имеет слоистой структуры. Макромолекулы ПТФЭ легко скользят друг по другу, подобно пластинчатым структурам. ПТФЭ показывает один из самых маленьких коэффициентов статического и динамического трения, вплоть до 0,04. Рабочие температуры ограничены примерно 260 °C.

Чаще всего используется дисперсия твердой смазки в качестве добавки в масло, воду или смазку. Для деталей, недоступных для смазки после сборки, можно распылить сухую пленочную смазку. После испарения растворителя покрытие отверждается при комнатной температуре, образуя твердую смазку. Пасты — это смазки, подобные смазкам, содержащие высокий процент твердых смазок, используемые для сборки и смазки высоконагруженных, медленно движущихся деталей. Черные пасты обычно содержат MoS2 _. Для высоких температур выше 500 °C пасты изготавливаются на основе металлических порошков для защиты металлических деталей от окисления, необходимого для облегчения разборки резьбовых соединений и других узлов. ^{[ требуется ссылка ]}

Эффективным методом нанесения является барабанная обработка сухим порошком. Сцепление можно улучшить путем предварительного фосфатирования подложки. Использование свободных порошков имеет свои ограничения, поскольку адгезия твердых частиц к подложке обычно недостаточна для обеспечения любого срока службы при непрерывном применении. Однако для улучшения условий приработки или в процессах формовки металла может быть достаточно короткой продолжительности улучшенных условий скольжения. ^{[ необходима цитата ]}

Антифрикционные (AF) покрытия представляют собой «смазочные краски», состоящие из мелких частиц смазочных пигментов, таких как молибденсульфид, ПТФЭ или графит, смешанных со связующим. После нанесения и надлежащего отверждения эти «скользкие» или сухие смазки связываются с металлической поверхностью и образуют темно-серую твердую пленку. Многие сухие пленочные смазки содержат специальные ингибиторы ржавчины, которые обеспечивают исключительную защиту от коррозии. Большинство долговечных пленок относятся к связанному типу, но все еще ограничены приложениями, где расстояния скольжения не слишком велики. Покрытия AF наносятся там, где фреттинг и истирание являются проблемой (например, шлицы , универсальные шарниры и шпоночные подшипники), где рабочие давления превышают несущую способность обычных масел и смазок, где желателен плавный ход (поршень, распределительный вал), где желательна чистая работа (покрытия AF не будут собирать грязь и мусор, как смазки и масла), и где детали могут храниться в течение длительного времени. ^[5]

Самосмазывающиеся композиты: Твердые смазочные материалы, такие как ПТФЭ, графит, MoS2 _и некоторые другие антифрикционные и противоизносные добавки, часто добавляются в полимеры и все виды спеченных материалов. MoS2 _, например, добавляется в материалы для подшипников скольжения, эластомерных уплотнительных колец , угольных щеток и т. д. Твердые смазочные материалы добавляются в пластмассы для образования «самосмазывающего» или «внутренне смазываемого» термопластичного композита. Например, частицы ПТФЭ, добавленные в пластмассу, образуют пленку ПТФЭ на сопрягаемой поверхности, что приводит к снижению трения и износа. MoS2, _{добавленный} в нейлон, снижает износ, трение и прерывистое скольжение. Кроме того, он действует как зародышеобразователь, создавая очень тонкую кристаллическую структуру. Основное применение термопластов с графитовой смазкой — в приложениях, работающих в водных средах. ^{[ необходима цитата ]}

• Слайни, Харнольд Э., Твердые смазочные материалы , Технический меморандум NASA TM-103803, 1991. Доступно по адресу hdl.handle.net/2060/19910013083.

^{[1] [2]}