Развитие энергосберегающих технологий промышленной и транспортной техники путем использования смазочных материалов, способных формировать антифрикционные пленки в узлах трения, за счет снижения коэффициента трения и повышения износостойкости трибосистем. Этап 2

Надежность и долговечность эксплуатации узлов трения машин и механизмов во многом определяется способностью смазочных материалов выполнять свои функции. Повышение эффективности смазывания особенно важно для режима граничного трения, который обычно осуществляется в условиях высоких нагрузок и низких скоростей скольжения, что приводит к повышенному износу и определяет работоспособность узла трения. Эффективность смазки, ее энергосберегающие свойства, зависят от состава и строения граничных смазочных пленок, формирование которых происходит в результате сложной последовательности физико-химических взаимодействий между металлической поверхностью, смазочным материалом и окружающей средой. Понимание механизмов реакций, протекающих в трибосопряжении, правильный подбор состава смазочного материала и условий трения обеспечивает образование высокомолекулярных продуктов, защищающих поверхности от износа. Такие продукты были названы «полимерами трения». Взаимосвязь появления «полимеров трения» с эффективностью смазки привела к изучению процессов формирования граничных смазочных пленок в разных смазочных материалах с точки зрения их химического состава, механических свойств и возможных трибохимических реакций. Однако современные работы, описывающие процессы взаимодействия молекул базовых масел с поверхностями металлов при трении, не позволяют прогнозировать способы активации процессов, приводящих к формированию химически связанных с металлом граничных смазывающих пленок, обладающих антифрикционными свойствами. Целью выполнения проекта являлся поиск путей повышения энергосберегающих свойств смазочных материалов за счет активации процессов формирования на поверхностях трения антифрикционных трибопленок. Достижение этой цели реализовано посредством исследования механизмов физико-химических процессов, протекающих при образовании «полимеров трения», а также установления веществ, оказывающих наибольшее влияние на формирование и свойства химически связанных с поверхностью металла граничных слоев. При выполнении работ по проекту нами были определены типы химических реакций, в которых железо проявляет каталитическую активность и протекание которых может приводить к образованию «полимеров трения». Это реакции окисления, деструкции, дегидрирования и конденсации. Далее проведены трибологические испытания масел, модифицированных веществами, наиболее активными по отношению к скоростям выбранных типов химических превращений. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что образование прочно связанных с металлом граничных смазывающих слоев в сложноэфирных средах начинается с реакций деструкции, катализируемых неокисленным железом. Такие реакции протекают только на поверхности металла по свободнорадикальному механизму. Высокие скорости формирования граничных пленок, установленные при помощи ИК-спектроскопии, указывают на каталитический характер протекающих процессов. В результате деструкции сложных эфиров образуются адсорбированные на поверхности металла свободные радикалы. Взаимодействие таких радикалов с молекулами смазочного материала приводит к образованию высокомолекулярных частиц или «полимеров трения». Таким образом, необходимым условием процесса образования «полимеров трения» является удаление с поверхности трибоконтакта оксидной пленки механическим или химическим способом. Для подтверждения полученных данных нами в качестве присадок к минеральному и синтетическому маслам были испытаны вещества, способные растворять оксидный слой на поверхности металла за счет реакций комплексообразования. Показано, что практически все изученные присадки повышают антифрикционные свойства и максимальную нагрузочную способность масел. О протекании химических реакций между такими присадками и металлической поверхностью свидетельствует образование окрашенных граничных слоев. В результате взаимодействия присадок с металлической поверхностью происходит растворение оксидной пленки. Этот процесс способствует активному взаимодействию молекул смазочного материала и металлической поверхности, что приводит к образованию прочно связанных с металлом граничных слоев («полимеров трения»). Исследование влияния особенностей химического строения присадок на их активность в процессах образования граничных смазывающих слоев позволило сформулировать принципы молекулярного дизайна присадок, добавление которых в смазочный материал приводит к формированию прочно связанных с поверхностью граничных смазывающих слоев: 1. В молекуле присадки должна иметься группа атомов, способных образовывать шестичленные комплексные соединения хелатного типа с ионами металлов. 2. В состав координационного узла должна входить функциональная группа с кислотными свойствами – подвижным атомом водорода. 3. Большую активность в процессах формирования химически связанных с поверхностью граничных смазывающих слоев проявляют присадки с выраженными кислотными свойствами. Повышение кислотности функциональных групп, входящих в координационный узел, возможно при введении в структуру молекулы электроноакцепторных заместителей. Отличительной особенностью ИК-спектров граничных слоев, сформированных в модифицированных маслах, являлось то, что они содержали только полосы поглощения групп, входящих в структуру молекул исходных масел. Совпадение между собой спектров поверхностей трения, сформированных в присутствии различных присадок, свидетельствует о том, что молекулы присадок непосредственно не участвуют в образовании «полимеров трения», но значительно ускоряют этот процесс. Спектроскопические методы анализа позволили доказать, что формирование химически связанных с металлом граничных смазочных пленок происходит на ювенильной поверхности металла. При этом, металлические компоненты сохраняются под органической пленкой в неокисленном состоянии. Это свидетельствует о том, что граничная пленка является плотной, прочно химически связанной с металлом, что предотвращает его окисление кислородом воздуха. Механизм воздействия присадок комплексных соединений на трибологические свойства смазочных материалов обусловлен их разрушением при трении. Это способствует образованию граничных смазывающих пленок. Чем меньше величины энергий связей металл-лиганд в комплексных соединениях, тем легче протекает деструкция этих присадок при трении и тем эффективнее они повышают максимальную нагрузочную способность и антифрикционные свойства масел. Построены схемы процессов, протекание которых обеспечивает зарождение, закрепление на металлической поверхности и рост химически связанных с металлом граничных смазывающих слоев. Установленные при выполнении проекта закономерности изменения триботехнических свойств минеральных и синтетических масел позволили сформулировать основные принципы, позволяющие осуществлять управление процессами формирования поверхностных пленок за счет воздействия на механоактивированные химические реакции между металлической поверхностью и смазочным материалом. 1. Наиболее прочные граничные смазывающие слои образуются при добавлении в масла веществ, способных образовывать комплексные соединения с ионами металлов. 2. Самой медленной (лимитирующей) стадией процесса образования «полимеров трения» является очистка поверхности трения от оксидной пленки. Наличие участков неокисленного металла является ключевым фактором, определяющим трибохимические превращения смазочных материалов, приводящие к формированию химически связанных с металлом граничных смазывающих слоев. 3. Присадки, взаимодействие которых с катионами металлов приводит к образованию солей, препятствуют процессам образования «полимеров трения». Эффективность таких присадок определяется характеристиками образуемых ими адсорбционных граничных слоев. 4. Большую активность в процессах образования химически связанных с металлом граничных слоев имеют масла, в составе молекул которых имеются ковалентные полярные связи, которые легче подвергаются разрыву при механоактивации.