Влияние наноразмерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения сталь-сталь в водных растворах спиртов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCE

УДК 621.891 DOI 10.12737/11590

Влияние наноразмерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения

*

сталь-сталь в водных растворах спиртов

В. Э. Бурлакова1, Ю. П. Косогова2, Е. Г. Дроган3**

1 3Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

2 Волгодонский филиал ростовского государственного экономического университета, г. Волгодонск, Российская Федерация

Effect of copper nanoclusters on the tribological properties of steel-steel friction pair in alcohol aqueous solutions *** V. E. Burlakova1, Y. P. Kosogova2, E.G. Drogan3**

1 3 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation

2 Rostov State University of Economics, Volgodonsk branch, Volgodonsk, Russian Federation

Целью настоящей работы является исследование влияния атомности спирта на возможность управления самоорганизацией для достижения эффекта безызносности при трении в паре сталь-сталь. Медьсодержащие смазочные композиции получали в водных растворах многоатомных спиртов в процессе электролиза с медным анодом в ультразвуковом поле (комплексная обработка). Лабораторные испытания триболо-гических свойств полученных смазочных композиций проводились на четырехшариковой машине трения с использованием шаров из стали ШХ-15 по ГОСТ 9490-75. Трибологиче-ские свойства пары трения сталь-сталь исследовали на торцевой машине трения АЕ-5. Размер частиц меди определялся методом седиментационного анализа с использованием дисковой центрифуги марки CPS Disc Centrifuge Model DC24000 в водных растворах многоатомных спиртов. Топографические исследования наноразмерных кластерных структур металлов проводили с помощью сканирующего зондового микроскопа Solver P47H в полуконтактном режиме атомно-силовой микроскопии. Топографические исследования сервовитной пленки проводили с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа Compact AFM PHYWE. В результате проведенной работы установлено следующее. Увеличение времени комплексной обработки водно-спиртовой смеси приводит к возрастанию противоизносных свойств смазочных композиций. Показано, что увеличение атомности спирта облегчает реализацию избирательного переноса. При этом сокращается время перехода в режим безызносности и уменьшается износ. Образующиеся молекулярные лигандные кластеры меди со средним размером 25 нм характеризуются высокой однородностью. Дорожка трения при этом представляет собой достаточно выглаженную поверхность с низкой шероховатостью.

Ключевые слова: наноразмерные кластеры меди, безызнос-ность, коэффициент трения, интенсивность изнашивания, атомно-силовая микроскопия.

The purpose of this study is to investigate the influence of the alcohol atomicity on the self-organizing control capability in order to achieve the wearlessness effect in the friction pair of steel-steel. The copper-containing lubricant compositions are prepared in the electrolysis of the aqueous solutions of polyatomic alcohols with a copper anode in the ultrasonic field (complex processing). The laboratory testing of the tribological behavior of the lubricating compositions is carried out on four-ball machine using balls of SH-15 steel according to GOST 9490-75. Tribological properties of steel-steel friction pair are studied on the front friction machine AE-5. The copper particle size is defined by the sedimentation analysis method using the disk centrifuge of CPS Disc Centrifuge Model DC24000 brand in the aqueous solutions of polyatomic alcohols. The topographic studies of the nanocluster metal structures are performed with the scanning probe microscope (SPM) Solver P47H in the semi-contact mode of the atomic force microscopy (AFM). The topographic investigations of a servovit film are conducted with the use of the scanning atomic force and power microscope of Compact AFM PHYWE. It is shown that the time increment of g

S K

o o

compositions. Increasing alcohol atomicity facilitates the p implementation of the selective transfer, thus reducing wear and e

the transition time in the wearlessness mode. The resulting s

CD

molecular ligand copper clusters with an average size of 25 nm ^

are characterized by high uniformity. Thus, the friction track

fa

represents rather ironed surface with low roughness.

S

X o

M

Keywords: copper nanoclusters, wearlessness, friction ratio, g

wear rate, atomic force microscopy. H

S

CD

the integrated processing of a water-alcohol mixture leads to the strengthening of the antiwear properties of lubricant

*Работа выполнена в рамках инициативной НИР.

**E-mail: vburlakova@donstu.ru, kosogova-up@yandex.ru, ekaterina.drogan@gmail.com

***The research is done within the frame of the independent R&D.

Введение. Проблема повышения ресурса узлов трения машин и механизмов требует поиска новых эффективных путей решения. В настоящее время динамично развивается изучение наноразмерных объектов и систем, которые проявляют принципиально новые свойства и обладают огромным потенциалом использования в реальном секторе экономики. Нанодисперсные частицы металлов имеют уникальные свойства, связанные с размерными эффектами. Благодаря этому их применение при решении трибологических задач позволяет получить материалы с принципиально новыми характеристиками [1-3]. Проведенные ранее исследования показали, что формирование квазикристаллической серво-витной пленки в паре трения сталь-сталь в водно-глицериновой среде, содержащей дисперсную фазу из наноразмерных частиц меди, происходит не только за счет трибовосстановительного распада имеющихся медьсодержащих соединений, но и за счет переноса кластеров металла [4-7].

Данная работа продолжает изучение влияния молекулярного строения используемых в составе смазочного материала органических компонентов [8-10]. При этом целью настоящего исследования является изучение триболо-гической эффективности медьсодержащих растворов многоатомных спиртов в паре трения сталь-сталь. Экспериментальная часть. Медьсодержащие смазочные композиции (СК) получали в водных растворах многоатомных спиртов в процессе электролиза с медным анодом в ультразвуковом поле (комплексная обработка). Для стабилизации образующихся нанокластеров вводились тетраалкиламмониевые соли типа [NR4]+Hal~. Подключение электродов к источнику постоянного тока приводило к растворению металлического анода. При этом катионы металла переносились к катоду и восстанавливались на нем. Электрические колебания с рабочей частотой 22 кГц, генерируемые ламповым генератором, преобразовывались магнитострикционными преобразователями излучателей в механические упругие колебания соответствующей частоты, воздействующие на исследуемый электрод. Под действием ультразвуковых колебаний одновременно с электролизом осуществлялось диспергирование восстановленного слоя металла. Характерным свойством полученных коллоидных растворов является ярко выраженная опалесценция: в отраженном свете смазочные композиции имеют темно-коричневый, а в проходящем — сине-зеленый цвет.

Лабораторные испытания трибологических свойств полученных смазочных композиций (СК) проводились на четырехшариковой машине трения (Ч111М) с использованием шаров из стали ШХ-15 по ГОСТ 9490-75 [11].

С целью выявления влияния атомности спирта на возможность управления самоорганизацией для достижения эффекта безызносности в настоящей работе исследованы триботехнические характеристики — в частности, коэффициент трения пары сталь-сталь в водных растворах многоатомных спиртов. Трибологические свойства пары сталь-сталь исследовали на торцевой машине трения АЕ-5. Узел трения представлял собой стальной диск и расположенные по окружности три образца, изготовленные из стали-45.

Размер частиц меди определялся методом седиментационного анализа с использованием дисковой центрифуги марки CPS Disc Centrifuge Model DC24000 в водных растворах многоатомных спиртов.

Топографические исследования наноразмерных кластерных структур металлов, полученных в результате три-боэлектрохимической обработки в водно-спиртовых средах, проводили с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) Solver P47H в полуконтактном режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ). Топографические исследования сервовитной пленки, полученной в результате фрикционного взаимодействия пары трения сталь-сталь в водном g растворе многоатомных спиртов, проводили с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа 3 Compact AFM PHYWE.

о Обсуждение и результаты. Как следует из результатов седиментационного анализа водно-органических растворов М многоатомных спиртов, в процессе электролиза при ультразвуковом воздействии образуются молекулярные лиганд-

"¡3

"й ные кластеры меди со средним размером 25 нм (рис. 1).

ü £ л

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5

D • 10-2, мкм

Рис. 1. Относительное распределение частиц меди (М) по размерам (О) в водном растворе сорбита

Анализ топографии поверхности стального диска (рис. 2) с использованием атомно-силовой микроскопии позволяет сделать вывод о том, что в растворах полиатомных спиртов наблюдаются процессы кластеризации с образованием гигантских нанокластеров меди.

Рис. 2. АСМ-изображение (а) и 3D-визуализация (б) результатов АСМ, осаждаемых на поверхности стального диска нанокластеров меди

При уменьшении области сканирования с 50 мкм, где обнаруживается достаточно неоднородное покрытие нанокластерами поверхности стального диска, до 780 нм удается выявить следующее. Под действием сил притяжения между нанокластерами меди в результате самоорганизации образуются кластерные структуры, которые покрывают поверхность в виде чешуек со средним диаметром до 100 нм и высотой до 50 нм.

Сравнение противоизносных свойств 50 % водных растворов многоатомных спиртов, содержащих нанокла-стеры меди (рис. 3), доказывает следующий факт. Полученные смазочные композиции обеспечивают формирование на поверхности трения шаров металлической пленки [12], оказывающей антифрикционное действие. Причем ее триботехнические свойства, характеризуемые величиной пятна износа Би, зависят от времени комплексной обработки водно-органической смеси, необходимого для накопления в растворе критической концентрации нанокластеров меди. Как было ранее показано в [7], с увеличением времени воздействия диаметр пятна износа уменьшается.

2

р

ш —

х о о т

43

о <т> X к <т>

S

м ш

к X о со <т>

<т> X к <т>

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Сравнение противоизносных свойств (Ви) 50-проценгных водных растворов спиртов в зависимости от времени комплексной обработки с медным анодом на ЧШМ: 1 — метанол; 2 — этиленгликоль; 3 — глицерин; 4 — эритрит; 5 — арабит; 6 — сорбит.

Справа указано время электролиза

Изучение длительной эволюции коэффициента трения пары сталь-сталь (рис. 4), показывает, что в растворе этиленгликоля не достигается реализация избирательного переноса. На это указывает ход кривых изменения коэффициента трения: коэффициент трения незначительно падает, оставаясь на уровне 0,2-0,25.

й о тз

'й

и

и

О, £ -Й

45000 50000 Время, с

Рис. 4. Зависимость коэффициента трения (ц) от времени фрикционного взаимодействия пары трения сталь-сталь (V = 0,26 м/с, Р = 7,5 МПа) на торцевой машине трения АЕ-5 в водных растворах: 1 — этиленгликоля; 2 — глицерина;

3 — эритрита; 4 — арабита; 5 — сорбита

При переходе к смазочным средам, содержащим в своем составе трех- и шестиатомные спирты, отмечаются принципиальные отличия в характере фрикционного взаимодействия. Это проявляется в наличии явно выраженного переходного процесса от граничного трения к безызносному [13]:

— в трибосистеме «сталь — глицерин — сталь» после 4,8*104 секунд наблюдается уменьшение коэффициента трения до 0,006;

— в системе «сталь — эритрит — сталь» переход к безызносному трению начинается через 4,3*104 с;

— в системе «сталь — арабит — сталь» — через 3,2*104 с;

— в системе «сталь — сорбит — сталь» — через 3*104 с.

Переход от двухатомных к шестиатомным спиртам приводит к сокращению времени выхода систем в режим безызносности, о чем свидетельствуют величины коэффициентов трения. Таким образом, проведенный эксперимент явно свидетельствует о влиянии строения многоатомных спиртов на триботехнические характеристики — в частности, на коэффициент трения: увеличение количества гидроксильных групп при одновременном увеличении количества атомов углерода в многоатомном спирте приводит к снижению коэффициента трения.

Вместе с падением коэффициента трения в системах, содержащих трех- и шестиатомные спирты, наблюдается изменение характера износа: интенсивность изнашивания остается на уровне 10-12.

При этом в процессе фрикционного взаимодействия в паре трения сталь-сталь в водно-органических растворах многоатомных спиртов после их комплексной обработки с медным анодом образуется сервовитная пленка. В ре-

зультате длительных сдвиговых напряжений она представляет собой высокоразвитую [14, 15] губчатую поверхность с достаточно мелкой зернистостью и практически выглаженной поверхностью (рис. 5).

Рис. 5. АСМ-изображение

Полученные в настоящей работе экспериментальные данные подтверждают результаты исследований о влиянии природы многоатомного спирта на триботехнические характеристики пары трения сталь-сталь [7]. Кроме того, расширен перечень объектов, использование которых приводит к реализации избирательного переноса при трении стали по стали в присутствии нанокластеров меди, образующихся при электролизе в водных растворах многоатомных спиртов.

Выводы. На этапе приработки для тяжело нагруженного узла трения наноразмерные частицы меди, содержащиеся в СК, снижают адгезионную составляющую трения, предохраняя сопряженные поверхности от схватывания и приводя к формированию гладкой, блестящей медной поверхности трения. Механическая энергия деформирования поверхностных слоев металла инициирует множество трибохимических процессов, протекающих с участием органических спиртов, входящих в состав СК [16]. Это способствует образованию новых упорядоченных поверхностных нанодис-персных структур.

Библиографический список

1. Влияние металлоплакирующих присадок на триботехнические характеристики пластичной смазки «Бук-сол» / Гаркунов Д.Н., Бабель В.Г// Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2006. — № 7. — С. 20-25.

2. Методология создания смазочных материалов с наномодификаторами / М. Люты [и др.] // Трение и износ.

— 2002. — Т. 23, № 4. — С. 411-423.

3. Triboelectrochemistry of the "warless" effect. Mechanism of the forming of the protective layers on steel surface in the process of self-organization in tribosystem "copper - glycerin - steel" / A. S. Kuzharov [et al.] // Friction and wear. — 1998. — Vol. 19, № 6. — P. 768-778.

4. Кужаров, А. А. Триботехнические свойства нанометричных кластеров меди : дис ... канд. техн. наук / А. А. Кужаров. — Ростов-на-Дону, 2004. — 136 с.

5. Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu and Co nanoparticles / J. Padgurskas [et al.] // Tribologu International. — 2013. — Vol. 60, № 4. — P. 224-232.

6. Tribological behavior and lubricating mechanism of Cu nanoparticles in oil / J. Zhau [et al.] // Tribology Letters.

— 2000. — Vol. 8, № 4. — P. 213-218.

7. Бурлакова, В. Э. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности / В. Э. Бурлакова. — Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2005. — 209 с.

8. Кужаров, А. С. Трибоэлектрохимическое поведение стали в систематическом ряду одноатомных спиртов / А. С. Кужаров, В. Э. Бурлакова, К. Кравчик // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2004. — Т. 4, № 1 (19). — С. 47-54.

9. Кужаров, А. А. Синтез и триботехнические свойства нанокластеров меди в водных растворах сорбита / А. А. Кужаров, Ю. П. Косогова, А. С. Кужаров // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2004. — Т. 5, № 4 (26). — С. 628-630.

10. Wan, Y. Effects of diol compounds on the friction and wear of aluminum alloy in a lubricated aluminum-on-steel contact / Y. Wan, W. Liu, Q. Xue // Wear. — 1996. — Vol. 193. — P. 99-104.

рэ

В

к

X о о т

43

о <т> X к <т>

РЭ В

к X о со <т>

<т> X к <т>

11. ГОСТ 9490-75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине / Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности СССР ; Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР. — Москва : Издательство стандартов, 1987. — 5 с.

12. Preparation and Tribological Properties of Surface-coated Nano-copper Additives / Y. Xu [et al.] // Key Engineering Materials. — 2008. — Vol. 373/374.— P. 580-584.

13. Гаркунов, Д. Н. Триботехника (износ и безызносность) / Д. Н. Гаркунов. — Москва : Издательство МСХА, 2001 — 616 с.

14. Формирование нанокристаллической структуры на поверхностях трения в присутствии нанопорошков сплавов меди в смазочном материале / Л. В. Золотухина [и др.] // Трение и смазка в машинах и механизмах. — 2007. — № 3. — С. 7-12.

15. Бабичев, А. П. Исследование микро / нанопрофиля цинкового покрытия при вибрационной механохими-ческой обработке углеродистых сталей / А. П. Бабичев, В. В. Иванов, В. Э. Бурлакова // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2014. — № 7 (115). — С. 46-48.

16. Косогова, Ю. П. Нанотрибоэлектрохимические технологии при реализации эффекта безызносности в водно-спиртовых средах : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Ю. П. Косогова. — Ростов-на-Дону, 2009. — 23 с.

References

1. Garkunov, D. N., Babel, V. G. Vliyanie metalloplakiruyushchikh prisadok na tribotekhnicheskie kharakteristiki plastichnoy smazki «Buksol». [Effect of metal plaque additives on tribological characteristics of "Buksol" lubricant.] Friction & Lubrication in Machines and Mechanisms, 2006, no. 7, pp. 20-25 (in Russian).

2. Luty, M., et al. Metodologiya sozdaniya smazochnykh materialov s nanomodifikatorami. [Methods of creating lubricating materials with nanomodifiers.] Friction and Wear, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 411-423 (in Russian).

3. Kuzharov, A. S., et al. Triboelectrochemistry of the "warless" effect. Mechanism of the forming of the protective layers on steel surface in the process of self-organization in tribosystem "copper - glycerin - steel". Friction and Wear, 1998, vol. 19, no. 6, pp. 768-778.

4. Kuzharov, А. А. Tribotekhnicheskie svoystva nanometrichnykh klasterov medi : dis. ... kand. tekhn. nauk. [Tribological properties of copper nanoclusters: Cand.Sci. (Eng.) diss.] Rostov-on-Don, 2004, 136 p. (in Russian).

5. Padgurskas, J., et al. Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu and Co nanoparticles. Tribologu International, 2013, vol. 60, no. 4, pp. 224-232.

6. Zhau, J., et al. Tribological behavior and lubricating mechanism of Cu nanoparticles in oil. Tribology Letters, 2000, vol. 8, no. 4, pp. 213-218.

7. Burlakova, V. E. Triboelektrokhimiya effekta bezyznosnosti. [Triboelectrochemistry of wearlessness effect.] Rostov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2005, 209 p. (in Russian).

8. Kuzharov, A. S., Burlakova, V. E., Kravchik, K. Triboelektrokhimicheskoe povedenie stali v sistematicheskom ryadu odnoatomnykh spirtov. [Triboelektrochemical behavior of steel in systematic series of monobasic alcohols.] Vestnik of DSTU, 2004, vol. 4, no. 1 (19), pp. 47-54 (in Russian).

9. Kuzharov, А. А, Kosogova, Y. P., Kuzharov, A. S. Sintez i tribotekhnicheskie svoystva nanoklasterov medi v vodnykh rastvorakh sorbita. [Synthesis and tribological properties of copper nanoclusters in sorbitol aqueous solutions.] Vest-

g nik of DSTU, 2004, vol. 5, no. 4 (26), pp. 628-630 (in Russian).

ja 10. Wan, Y., Liu, W., Xue, Q. Effects of diol compounds on the friction and wear of aluminum alloy in a lubricated

д aluminum-on-steel contact. Wear, 1996, vol. 193, pp. 99-104.

^ 11. GOST 9490-75. Materialy smazochnye zhidkie i plastichnye. Metod opredeleniya tribologicheskikh kharakteris-

• g tik na chetyrekhsharikovoy mashine. [GOST 9490-75. Liquid lubricating and plastic materials. Method of test for lubricating

S3 properties on four ball machine.] Ministry of oil refining and petrochemical industry of USSR; State Standards Board of the

>

^ USSR Cabinet. Moscow: Izdatel'stvo standartov, 1987, 5 p. (in Russian).

12. Xu, Y., et al. Preparation and Tribological Properties of Surface-coated Nano-copper Additives. Key Engineering

^ Materials, 2008, vol. 373/374, pp. 580-584.

13. Garkunov, D. N. Tribotekhnika (iznos i bezyznosnost'). [Triboengineering (wear and wearlessness).] Moscow: Izdatel'stvo MSKhA, 2001, 616 p. (in Russian).

14. Zolotukhina, L. V., et al. Formirovanie nanokristallicheskoy struktury na poverkhnostyakh treniya v prisutstvii na-noporoshkov splavov medi v smazochnom material. [Forming nano-crystalline structure on friction surfaces over а nano-powder of copper alloys in lubricant.] Friction & Lubrication in Machines and Mechanisms, 2007, no. 3, pp. 7-12 (in Russian).

15. Babichev, А. P., Ivanov, V. V., Burlakova, V. E. Issledovanie mikro / nanoprofilya tsinkovogo pokrytiya pri vi-bratsionnoy mekhanokhimicheskoy obrabotke uglerodistykh staley. [Research of micro/nanoprofile zinc coating with vibration mechanochemical treatment carbon steels.] Strengthening Technologies and Coatings, 2014, no. 7 (115), pp. 46-48 (in Russian).

16. Kosogova, Y. P. Nanotriboelektrokhimicheskie tekhnologii pri realizatsii effekta bezyznosnosti v vodno-spirtovykh sredakh : avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. [Nanotriboelectrochemical technologies during the implementation of wearlessness effect in aqueous-alcoholic media: Cand.Sci. (Eng.) diss., author's abstract.] Rostov-on-Don, 2009, 23 p. (in Russian).

Поступила в редакцию 06.04.2015 Сдана в редакцию 07.04.2015 Запланирована в номер 10.04.2015

fa

ш

х х о о т

43

о

CD

X

X а>

fa

ш

s х о со

CD ti CD X

s

CD