В авторитетном журнале Scientific Reports (входит в группу журналов Nature) коллектив российских ученых представил инновационную технологию обработки поверхности для снижения трения и износа в подшипниках скольжения в условиях высоких скоростей и нагрузок, причём без использования смазочных материалов. Это своего рода прорыв в трибологии — науке, изучающей процессы трения, изнашивания и смазки.
Авторы статьи — заведующий лабораторией физики и химии материалов Удмуртского госуниверситета доктор технических наук, профессор Евгений Харанжевский, заведующий отделом материаловедения Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН член-корреспондент РАН Алексей Макаров, кандидат технических наук Алексей Ипатов (Удмуртский государственный аграрный университет) и кандидат физико-математических наук Фаат Гильмутдинов (отдел физики и химии поверхности Удмуртского ФИЦ УрО РАН) — вместе с коллегами ведут исследования четыре года при поддержке гранта РНФ, который предоставляется для реализации проектов на базе объектов инфраструктуры мирового уровня, в данном случае ИФМ УрО РАН. Этот грант продлён ещё на три года.
Слева направо: А.Г. Ипатов, Е.В. Харанжевский и А.В. Макаров возле стенда испытаний турбокомпрессора с модифицированным стальным валом
Как отметил руководитель научной группы в Екатеринбурге член-корреспондент РАН Алексей Макаров, в механических системах крайне редко встречаются узлы, где поверхности взаимодействуют без скольжения или качения друг по другу: «В кинематических парах, то есть при подвижном соединении двух звеньев, трение и износ — основные проблемы. Известно, например, что значительная часть топлива в автомобилях тратится на преодоление трения, которое укорачивает срок службы механических компонентов. В трибологии существует множество теорий изнашивания пластичных металлических сплавов, но согласно любой из них износ материала при трении инициируется адгезионными процессами — сцеплением поверхностей разнородных тел (от лат. adhaesio — «прилипание»). Это приводит к образованию прочных связей между трущимися поверхностями, схожих с холодной сваркой, к увеличению коэффициента трения и необратимому разрушению материалов».
Подшипники скольжения широко используются в различных областях для уменьшения трения между движущимися частями: в автомобильной промышленности (в шатунах, коленчатых и распределительных валах двигателей), в авиации (в системах управления, в шасси и компонентах двигателей и топливных насосов), а также в электродвигателях и генераторах, в судостроении, на гидроэлектростанциях, в различном промышленном оборудовании и бытовой технике. Их ценят за простоту, надежность, способность работать при высоких температурах и динамических нагрузках. Но есть одна проблема: подшипники скольжения нормально функционируют, как правило, при наличии смазки. Эта зависимость от смазки становится критической в определенных ситуациях: при больших контактных давлениях, небольших скоростях скольжения, низких или повышенных температурах. Гидродинамических сил бывает недостаточно для поддержания непрерывной смазочной пленки между поверхностями скольжения, в результате чего может произойти их прямой контакт. Это особенно вероятно во время операций «старт-стоп» или в подобных условиях, когда происходит переход от одного режима трения к другому.
Контактирующие поверхности можно защитить особыми трибологическими слоями, которые должны обладать определенными свойствами: низкой прочностью на сдвиг, сильной способностью к пленкообразованию и переносу сформированных пленок на самосмазывающиеся материалы. По мнению авторов разработки, висмут — один из лучших кандидатов для формирования трибоплёнки между сплавом на основе меди — бронзой (а также другими материалами, из которых изготавливаются подшипники скольжения) и сплавом на основе железа — сталью. Однако создание сплавов «железо-висмут» или «медь-висмут» остается нерешённой задачей, так как эти металлы полностью не смешиваются даже в жидком состоянии.
Стальные валы после испытаний при 75 000 об/мин: (а) серийного производства после пяти циклов «старт-стоп» со смазкой; (б) с включениями висмута в сталь после 500 циклов «старт-стоп» без смазки
О том, как решают эту задачу участники проекта, рассказал руководитель научной группы в Ижевске профессор Евгений Харанжевский: «Мы разрабатываем пары материалов, в которых минимизированы или полностью устранены адгезионные процессы, то есть не происходит сцепление поверхностей. Как уже говорилось, такие материалы невозможно создать традиционными способами. Поэтому мы применили особую методику обработки поверхности короткоимпульсным лазером. Благодаря такой обработке висмут всё же может быть сплавлен со сталью. Оксид марганца, используемый в качестве катализатора, облегчает внедрение оксида висмута в поверхностные слои стали в виде наноразмерных включений металлических и оксидных частиц».
Результаты исследования впечатляют: стальные диски с легированной висмутом поверхностью, испытанные в условиях жёсткого теста на скольжение без смазки в паре трения «сталь-бронза», продемонстрировали выдающуюся износостойкость и удивительно низкий коэффициент трения (до 0,03). Они сохраняли свои характеристики на протяжении 200 километров скольжения под интенсивной нагрузкой, при скорости скольжения 9 метров в секунду и без единой капли смазки. Одним из самых убедительных примеров успешности этого подхода стал эксперимент с турбокомпрессором двигателя внутреннего сгорания, оснащенным модифицированным стальным валом. Даже при экстремальных 75 000 оборотах в минуту и без использования смазки турбокомпрессор показал высокую эффективность и долговечность.
Потенциал новой технологии трудно переоценить. Она может быть модифицирована под потребности различных отраслей машиностроения. Инновационный метод обработки металлических пар трения отличается экономичностью, простотой и надежностью и хорошо подходит для массового производства. Коллектив уральских ученых продолжает свои исследования, разрабатывая многообещающую стратегию инженерного проектирования, особенно для высокоскоростных приложений в машиностроении. Так, если пара трения «сталь-бронза» демонстрировала хоть и незначительный, но фиксируемый износ бронзы, то в паре трения с алюминиевым сплавом наряду со сверхнизким коэффициентом трения зарегистрировано абсолютное отсутствие износа как у цветного сплава, так и у стальных дисков с покрытием, то есть реализовался «эффект безызносности».
Текст: Е. Понизовкина.
Источник: «Наука Урала».