Твердые порошковые смазочные материалы и особенности их применения

Порошкообразные твердые смазочные материалы представляют собой простейший и древнейший тип твердых смазочных материалов. Их наносят на поверхности трения в виде порошков, нередко путем натирания. Изначально в качестве порошкового смазочного материала применялся графит, однако в настоящее время ассортимент смазочных материалов этой категории существенно расширен.

Рис. 1. По­ро­шок гра­фи­та

Графит (рис. 1) является самым стабильным состоянием углерода (при высоких температурах все углероды превращаются в графит) и имеет кристаллическую структуру. Природа механизма смазывающего действия графита окончательно не установлена, и для его объяснения существует большое количество теорий. Однако известно, что важную роль в смазывании графитом играет его слоистая структура и небольшие силы связи между слоями. Кроме того, установлено, что важную роль в смазывающих свойствах графита играет присутствие атмосферной влаги, ослабляющей адгезию между плоскостями графита, скользящими относительно друг друга.

Рис. 2. По­ро­шок ди­суль­фи­да мо­либ­де­на

Молибден и уникальные антифрикционные свойства его соединений стали известны еще 250 лет назад, однако широкое применение он получил лишь в середине XX века в связи с развитием техники. Впервые в мире серийное промышленное производство смазочных материалов на основе дисульфида молибдена наладила компания Alpha Molykote, учрежденная в 1948 году в США и получившая название от сочетания слов «moly-coating» (дисульфид молибденовое покрытие). Эти материалы показали высокую работоспособность в условиях экстремально высоких нагрузок, при высоких и низких эксплуатационных температурах, в условиях воздействия пыли и абразива, когда неприменимы традиционные смазочные масла и пластичные смазки.

В настоящее время дисульфид молибдена MoS₂ используется в виде твердого порошкового смазочного материала (рис. 2), в качестве компонента противозадирных и противоизносных присадок к смазочным маслам и пластичным смазочным материалам, в роли твердой смазочной пленки со связующими (смолами или керамикой) и смазочного компонента аэрозолей. Дисульфид молибдена применяется также в качестве антифрикционного наполнителя композиционных материалов.

В результате многочисленных исследований было установлено, что графит обеспечивает хорошие смазывающие свойства во влажном воздухе, неудовлетворительное – в сухом кислороде и совершенно не проявляет их в среде инертных газов. В свою очередь порошкообразный дисульфид молибдена ведет себя обратным образом: обеспечивает хорошее смазывание в инертной атмосфере, значительно хуже ведет себя в сухом кислороде и совсем плохо во влажном воздухе.

В случаях применения смеси порошкообразного графита и дисульфида молибдена наблюдается значительный синергетический эффект за счет взаимной компенсации указанными компонентами характерных для них слабых сторон и усиления имеющихся преимуществ.

Рис. 3. По­ро­шок ПТ­ФЭ

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) был открыт в 1938 году как результат спонтанной полимеризации газообразного тетрафторэтилена под давлением в белый парафиноподобный порошок (рис. 3). Выяснилось, что при малых скоростях скольжения и нагрузках ПТФЭ обеспечивает наименьший коэффициент трения по сравнению со всеми ранее известными материалами. Однако трудность нанесения, низкая способность отводить тепло из зоны трения, склонность к холодной текучести спрессованных пленок, низкое сопротивление сжатию ограничивают его применение в качестве твердого порошкообразного смазочного материала.

В общем случае механизм действия порошкообразных твердых смазочных материалов можно представить следующим образом.

Под действием нагрузки и сдвиговых деформаций высокодисперсные частицы твердых смазочных материалов заполняют впадины микронеровностей поверхностей трения и связываются с металлом на молекулярном уровне, образуя защитную пленку. Она устраняет микродефекты и приводит к резкому снижению коэффициента трения и температуры в зоне трения.

Основные свойства порошкообразных твердых смазочных материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики наиболее распространенных порошкообразных твердых смазочных материалов

Графит	Дисульфид молибдена (MoS2)	Политетрафторэтилен (ПТФЭ)
· работоспособность до +600° С; · хорошие смазочные свойства в присутствии влаги; · химическая стойкость; · электропроводность; · синергетическое взаимодействие с MoS2; · черный цвет	· диапазон эксплуатационных температур от -180 до +450° С (в вакууме до +1100° С); · очень высокая несущая способность (3000 МПа); · хорошая адгезия к металлам; · устойчивость к радиации и химически агрессивным средам; · защита от фреттинг-коррозии; · синергетическое взаимодействие с графитом; · черный цвет	· работоспособность до +250° С; · низкий коэффициент трения при низких нагрузках; · химическая стойкость; · бесцветный или белого цвета

3. Твердые порошковые смазочные материалы, применяемые в роли наполнителей при изготовлении жидких и пластичных смазочных материалов Molykote

Добавление высокодисперсных твердых смазочных материалов в состав смазочных масел и пластичных сма-зочных материалов придает им новые свойства и улучшает существующие. Двухфазная структура получаемых продуктов (жидкий или пластичный смазочный материал с твердыми антифрикционными частицами) существенно повышает их несущую способность, противозадирные и противоизносные свойства.

В состав смазочных масел твердые смазочные материалы вводятся в виде дисперсий Molykote – суспензий, представляющих собой однородную взвесь высокодисперсных твердых антифрикционных частиц (от 3 до 15% по массе) в базовом масле (минеральное, полиалкиленгликолевое, полиэфирное). Дисперсии Molykote A Dispersion, Molykote M-30, Molykote M-55 Plus, Molykote W15применяются в качестве присадок к смазочным маслам для тяжелонагруженных узлов трения в целях ускорения приработки, увеличения несущей способности и улучшения иных эксплуатационных свойств. В качестве твердых наполнителей при производстве дисперсий Molykote используются дисульфид молибдена, соли металлов и полимерные вещества.

При производстве пластичных смазочных материалов Molykote в качестве твердых антифрикционных наполнителей обычно применяют графит, дисульфид молибдена, политетрафторэтилен и другие специальные добавки.

Дисульфидмолибденовые смазочные материалы по сравнению с графитовыми обладают улучшенными антифрикционными свойствами, имеют более высокую несущую способность и могут работать в условиях вакуума. При этом экспериментальные исследования также выявляют синергетический эффект одновременного добавления графита и дисульфида молибдена в качестве наполнителя при производстве пластичных смазочных материалов.

Пластичные графитные смазочные материалы Molykote (Molykote 1122, Molykote BR2 plus, Molykote Longterm 00, Molykote Longterm 2 Plus) характеризуются широким диапазоном эксплуатационных температур, влагостойкостью, высокой несущей способностью и улучшенными противоизносными и антифреттинговыми свойствами.

Пластичные дисульфидмолибденовые смазочные материалы Molykote (Molykote 165-LT, Molykote G-4700, Molykote Longterm 2/78 G) стабильно работают при экстремально высоких нагрузках (3000 МПа), в условиях высоких и низких температур, обеспечивают долговременную смазку в условиях агрессивного воздействия окружающей среды и эффективно предотвращают повышенный износ, фреттинг-коррозию и образование задиров.

Политетрафторэтилен используется в качестве базового компонента (загустителя) при производстве специальных пластичных смазочных материалов Molykote на основе высококачественных силиконовых (Molykote 7508, Molykote G-5032, Molykote G-5008), фторсиликоновых (Molykote 3451, Molykote 3452) и перфтолполиэфирных (Molykote HP-300, Molykote HP-870) масел. Указанные пластичные смазочные материалы характеризуются высокой химической и термической стабильностью, стойкостью к смыванию водой, совместимостью с пластмассами и эластомерами.

4. Твердые порошковые смазочные материалы Molykote, применяемые в качестве твердой сухой смазки

Несмотря на существенное улучшение эксплуатационных свойств современных традиционных жидких и пластичных смазочных материалов, они по-прежнему не могут обеспечить достаточную эффективность при определенных условиях эксплуатации:

• в открытых (в запыленной атмосфере) и тяжелонагруженных (контактные давления 3000 МПа и выше) тихоходных узлах трения;
• при экстремально низких (до -200° С) и экстремально высоких (+300…+1000° С) эксплуатационных температурах;
• при экстремальных воздействиях окружающей среды (сверхвысокий вакуум, радиационное облучение) и др.

Зачастую единственным приемлемым техническим решением в этих случаях являются твердые смазочные материалы в виде порошка или тонкой смазочной пленки.

Применение твердых порошкообразных материалов для смазывания узлов трения ограничено случаями, при которых адгезия смазочного материала к поверхностям трения не имеет решающего значения (в противном случае следует применять антифрикционные покрытия, включающие в свой состав связующие твердого смазочного материала и образующие на поверхности детали устойчивые антифрикционные пленки). При этом порошки по сравнению с антифрикционными покрытиями характеризуются пониженным сроком службы в узлах трения.

Рис. 4. Molykote Microsize

Твердый порошковый смазочный материал Molykote Microsizeпредставляет собой, по сути, чистый порошкообразный дисульфид молибдена. Он используется в качестве сухой смазочной пленки, получаемой путем натирания, для тяжелонагруженных тихоходных узлов трения, работающих под воздействием пыли, высоких и низких температур. Molykote Microsize вводят в состав композиционных самосмазывающихся материалов, технологических сред для металлообработки, применяют для процесса сборки узлов с прессовыми посадками и как вспомогательное средство для облегчения приработки при первоначальном пуске машин.

Порошок Molykote D-1000 также является чистым дисульфидом молибдена, но отличается от Molykote Microsize меньшей дисперсностью. Его можно использовать как сухую глянцевую (натертую) смазочную пленку для металлических контактов, в качестве сухой смазочной присадки для самосмазывающихся пластиковых и спеченных металлических деталей или в компаундах для обработки металлов.

Подробные характеристики порошков Molykote Microsize и Molykote D-1000 представлены в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики порошков Molykote, применяемых для смазывания в качестве твердой сухой смазки

Свойства	Molykote Microsize	Molykote D-1000
Цвет	черный
Форма продукта	легкосыпучий порошок
Фасовка
Антифрикционные добавки (наполнители)	дисульфид молибдена (98%)
Массовая доля воды, %	0,05	0,02
Диапазон рабочих температур, °С	от -185 до +450 (в вакууме до +1100)
Теоретическая плотность в твердом состоянии, г/см3	4,8
Плотность в состоянии порошка, г/см3	0,5	1,3

5. Аэрозоли твердых порошковых смазочных материалов Molykote, применяемые в качестве твердой смазки

Рис. 5. Molykote Powder Spray

Применение твердых смазочных материалов в аэрозольной упаковке предполагает их подведение к поверхностям трения в потоке газа, находящегося в баллоне под давлением. Применение такой методики нанесения обусловливается работой узла трения в труднодоступных местах при воздействии высоких температур. Для предотвращения в этих условиях окисления твердых смазочных материалов в качестве газообразного носителя порошка применяются инертные газы.

Molykote Powder Spray представляет собой порошок дисульфида молибдена (16% по массе) в аэрозольной упаковке 400 мл для металлических поверхностей и применяется в труднодоступных местах и экстремальных условиях воздействия окружающей среды.

6. Твердые порошковые смазочные материалы Molykote, применяемые в качестве добавок при производстве фрикционных устройств

Материалы, используемые при изготовлении деталей фрикционных устройств, определяют значение коэффициента трения при определенной величине прижимающего усилия.

В конечном счете, используемые составы фрикционной смеси оказывают существенное влияние на такие показатели, как:

• эффективность передачи крутящего момента между ведущими и ведомыми деталями фрикционных муфт;
• защиту фрикционных устройств от перегрузки благодаря проскальзыванию муфты при передаче крутящего момента критической величины;
• эффективность замедления вращающихся деталей в процессе торможения;
• изменение значения развиваемого коэффициента трения в серии торможений (динамику ухудшения тормозных свойств устройства с течением времени);
•максимальную рабочую температуру деталей фрикционных устройств и интенсивность их изнашивания.

Твердые порошковые смазочные материалы Molykote серии Lubolid (таблица 3) широко применяются в качестве присадок к композиционным материалам при изготовлении деталей фрикционных устройств с целью уменьшения их износа.

Таблица 3. Порошковые смазочные материалы Molykote Lubolid

Свойства		D-29	D-3912	D-55	D-78	D-79
Цвет	Серый
Форма продукта	легкосыпучий порошок
Фасовка	25 кг
Антифрикционные добавки (наполнители)	неорганические твердые смазочные материалы
Массовая доля воды, %	1,0	5,0	1,0	2,0	2,0	2,5
Остаток на фильтре с размером ячеек 100 мкм, %	0,9	3,0	0,9	2,8	1,6	2,4
Диапазон рабочих температур, °С	до +650
Плотность в состоянии порошка, г/см3	0,43	0,41	0,44	0,43	0,45	0,42

Рис. 4. На­клад­ки тор­моз­ных ко­ло­док

Порошковые присадки Molykote Lubolid применяются при производстве таких деталей фрикционных устройств, как:

• накладки фрикционных муфт;
• фрикционные накладки тормозных систем промышленного оборудования;
• колодки дисковых тормозных механизмов для легкового и грузового автомобильного транспорта;
• подкладки барабанных тормозных механизмов;
• тормозные колодки железнодорожных колесных тормозных механизмов.

Основные функции, выполняемые порошками Molykote Lubolid при их использовании в качестве добавок:

• уменьшении износа;
• стабилизации коэффициента трения;
• снижении шума;
• устранении скрипа;
• cнижении вибраций.

Результаты сравнительных испытаний (см. статью Применение материалов Molykote в дисковых тормозных механизмах автомобилей) тормозных колодок с присадками Molykote Lubolid показывают значительное снижение интенсивности их изнашивания в сравнении с колодками базового химического состава. Кроме того, использование присадок Molykote Lubolid приводит к увеличению значения коэффициента трения в режимах холодного (Cold Friction Value) и горячего (Fading Friction Value) трения. Это позволяет значительно повысить эффективность торможения в тяжелых условиях работы фрикционных устройств.