Твёрдая смазка

Твёрдая смазка — это материал в твёрдом агрегатном состоянии, используемый для уменьшения трения и износа поверхностей твёрдых тел при их относительном перемещении, как правило, в условиях, где применение жидких или пластичных смазочных материалов затруднено или невозможно. Твёрдые смазки относятся к классу функциональных смазочных материалов и применяются в виде порошков, покрытий, композиционных материалов или в составе консистентных смазок в качестве наполнителя.

История

Первые упоминания об использовании твёрдых смазок относятся к античности. Древние египтяне и греки применяли графит и тальк для смазывания деревянных осей повозок и механизмов. В XIX веке с развитием промышленности началось промышленное применение графита, дисульфида молибдена и других материалов. В XX веке, с появлением высокотемпературных и вакуумных технологий (авиация, космонавтика, атомная энергетика), твёрдые смазки стали незаменимыми в узлах трения, работающих в экстремальных условиях. В СССР и России значительный вклад в разработку и систематизацию твёрдых смазок внесли учёные Института машиноведения АН СССР, ВНИИ НП (Всесоюзный научно-исследовательский институт по переработке нефти) и других организаций.

Классификация

Твёрдые смазки классифицируют по нескольким признакам.

По химическому составу

Слоистые материалы: обладают кристаллической решёткой с низкой прочностью связей между слоями (графит, дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама, нитрид бора гексагональный).
Полимеры: фторопласты (политетрафторэтилен, ПТФЭ), полиамиды, полиэтилен, полиимиды.
Мягкие металлы: свинец, олово, индий, серебро, золото, медь (используются в виде покрытий или тонких плёнок).
Оксиды и соли: оксид цинка, оксид титана, фториды щелочноземельных металлов (например, фторид кальция).
Композиционные материалы: смеси перечисленных выше компонентов с добавлением связующих (смолы, керамика, металлы) для улучшения адгезии и механических свойств.

По способу применения

Порошковые: наносятся сухим способом (напыление, втирание) или в виде суспензий.
Твёрдосмазочные покрытия (ТСП): тонкие плёнки, наносимые на поверхность трения (лакокрасочные, плазменные, ионно-плазменные, гальванические).
Композиционные детали: вкладыши, подшипники, втулки, изготовленные из материала, содержащего твёрдую смазку в качестве наполнителя (например, металлофторопластовые ленты).
Наполнители консистентных смазок: добавляются в пластичные смазки для улучшения их антифрикционных свойств, особенно при высоких температурах.

Механизм действия

Основной механизм действия твёрдых смазок основан на их низкой прочности на сдвиг в направлении, параллельном поверхности трения. Для слоистых материалов (графит, дисульфид молибдена) это обусловлено слабыми вандерваальсовыми силами между слоями, которые легко сдвигаются друг относительно друга, обеспечивая низкий коэффициент трения (0,02–0,15). Для мягких металлов и полимеров — низкое сопротивление пластической деформации и адгезионное взаимодействие с поверхностью.

Важным свойством твёрдых смазок является их способность образовывать на поверхности трения тонкую плёнку (трансферную плёнку), которая экранирует контактирующие поверхности, предотвращая их непосредственное взаимодействие (схватывание, задиры, заедание). Эта плёнка может восстанавливаться в процессе трения за счёт переноса материала смазки с соседних участков или из объёма материала.

Основные виды твёрдых смазок

Графит

Графит — одна из самых распространённых твёрдых смазок. Обладает слоистой структурой, низким коэффициентом трения (0,05–0,15 в воздушной среде). Эффективен при нормальных и повышенных температурах (до 450–500 °C на воздухе, до 2000 °C в инертной атмосфере или вакууме). Недостаток: в вакууме коэффициент трения графита резко возрастает из-за отсутствия адсорбированных паров воды, которые облегчают сдвиг слоёв. Применяется в узлах трения, работающих в воздушной среде, в составе смазок для резьбовых соединений, в щёточно-коллекторных узлах электродвигателей.

Дисульфид молибдена (MoS₂)

Дисульфид молибдена — эффективная твёрдая смазка с коэффициентом трения 0,02–0,10. Работает в широком диапазоне температур (от –185 °C до +350 °C на воздухе, до +1100 °C в вакууме). В отличие от графита, MoS₂ сохраняет низкое трение в вакууме, что делает его незаменимым в космической технике. Применяется в виде порошков, в составе консистентных смазок, в твёрдосмазочных покрытиях для подшипников, направляющих, резьбовых соединений. В России выпускается под марками «Молибден-Д», «Смазка МС-1» и др.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4)

ПТФЭ — полимер с очень низким коэффициентом трения (0,04–0,08) и высокой химической стойкостью. Работает при температурах до +260 °C. Недостатки: низкая механическая прочность, склонность к ползучести, низкая теплопроводность. Применяется в виде покрытий, в составе композиционных материалов (металлофторопластовые ленты, подшипники), а также в качестве наполнителя в консистентных смазках. Широко используется в пищевой и химической промышленности, в бытовой технике (антипригарные покрытия).

Дисульфид вольфрама (WS₂)

Дисульфид вольфрама — более дорогой, но более термостойкий (до +500 °C на воздухе, до +1300 °C в вакууме) и износостойкий аналог MoS₂. Применяется в высоконагруженных узлах трения, в авиационной и космической технике.

Нитрид бора гексагональный (h-BN, «белый графит»)

Нитрид бора гексагональный — керамический материал со слоистой структурой, аналогичной графиту. Обладает высокой термостойкостью (до +900 °C на воздухе, до +2000 °C в инертной среде), химической инертностью, низким коэффициентом трения. Применяется в качестве высокотемпературной смазки, в составе смазок для форм литья, в вакуумной технике.

Применение

Твёрдые смазки применяются в следующих областях:

Авиационная и космическая техника: смазка подшипников, шарниров, механизмов, работающих в вакууме, при высоких и низких температурах, в условиях радиации.
Автомобильная промышленность: смазка резьбовых соединений, шарниров, направляющих, тормозных механизмов, в составе моторных и трансмиссионных масел (в качестве присадок).
Металлургия и горное дело: смазка подшипников прокатных станов, конвейеров, экскаваторов, работающих при высоких температурах и в условиях загрязнения.
Пищевая и химическая промышленность: смазка оборудования, где недопустимо попадание жидких масел (например, в пищевых производствах, в контакте с агрессивными средами).
Электротехника: смазка щёточно-коллекторных узлов, контактов, реле.
Бытовая техника: смазка направляющих, петель, замков, механизмов.
Медицина: смазка хирургических инструментов, имплантатов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Работоспособность в экстремальных условиях (вакуум, высокие и низкие температуры, радиация, агрессивные среды).
Отсутствие испарения и утечки (герметичность узлов не требуется).
Длительный срок службы (не требуют периодической замены, как жидкие масла).
Экологическая безопасность (не загрязняют окружающую среду, не требуют утилизации).
Возможность работы в условиях, где жидкие смазки неэффективны (высокие нагрузки, малые скорости, возвратно-поступательное движение).

Недостатки

Более высокий коэффициент трения по сравнению с жидкими смазками в режиме гидродинамической смазки.
Ограниченная способность отводить тепло (низкая теплопроводность).
Необходимость специальной подготовки поверхности (очистка, обезжиривание, нанесение).
Чувствительность к влаге и загрязнениям (может снижаться эффективность).
Сложность нанесения и восстановления покрытия.

Интересные факты

Дисульфид молибдена (MoS₂) был впервые синтезирован в 1778 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле, но его смазочные свойства были открыты и начали активно использоваться только в середине XX века.
В космической технике твёрдые смазки (прежде всего MoS₂ и WS₂) являются основным типом смазочных материалов, так как жидкие масла в вакууме испаряются и теряют свои свойства.
Графит, используемый в качестве смазки, может быть природным (добывается в шахтах) или синтетическим (получается из углеродсодержащего сырья).
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) был случайно открыт в 1938 году химиком Роем Планкеттом, работавшим в компании DuPont. Он обнаружил, что газообразный тетрафторэтилен самопроизвольно полимеризовался в белый порошок, который обладал уникальными антифрикционными свойствами.

Источники

Богданов В. В., Топоров Г. В. Твёрдые смазочные материалы. — М.: Химия, 1978.
Гаркунов Д. Н. Триботехника. — М.: Машиностроение, 1989.
Крагельский И. В. Трение и износ. — М.: Машиностроение, 1968.
Справочник по триботехнике / Под ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. — М.: Машиностроение, 1989.
ГОСТ 27674-88 (СТ СЭВ 6104-87). Смазки твёрдые. Термины и определения.
Erdemir A., Martin J.-M. (Eds.) Superlubricity. — Elsevier, 2007.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →