Медь сталь пара трения
Обновлено: 18.04.2024
Формула открытия: "Обнаружено, что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения".
Авторы: Д. Н. Гаркунов, И. В. Крагельский.
Номер и дата приоритета: № 41 от 12 ноября 1956 г.
Описание открытия.
Проблема трения существует столько же, сколько существует техника. Не менее трети энергии в любой современной машине тратится на преодоление бесполезного трения между ее частями, несмотря на подшипники и системы смазки.
Износ деталей в сочленениях в одних случаях нарушает герметичность рабочего пространства (например, в поршневых машинах), в других - нормальный режим смазки, в третьих - кинематическую точность механизма. В результате понижается мощность двигателей, увеличивается расход горюче-смазочных материалов, возникает опасность утечки ядовитых и взрывоопасных продуктов, понижаются точность и чистота обработки изделий на станках. Следует добавить, что все это еще вызывает дополнительные нагрузки, удары и вибрации в сопряжениях и часто становится причиной аварий.
Так или иначе, но каждая машина в свое время требует ремонта. Затраты же на него нередко превышают стоимость нового изделия. Как видим, увеличение долговечности и надежности машин при современной насыщенности народного хозяйства техникой становится одной из важнейших проблем научно-технического прогресса.
Доктора технических наук, профессора Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский (Институт машиноведения) открыли ранее неизвестное явление избирательного переноса при трении - эффект безызносности. Сущность его состоит в следующем: в паре трения сталь–медь, сталь– бронза или сталь–латунь из твердого раствора благодаря разрушению межатомных связей выделяется медь. Выделившаяся чистая медь переносится на поверхность стали в виде слоя толщиной около тысячной доли миллиметра.
Образовавшийся тончайший слой не уносится из зоны контакта, а переходит с одной поверхности трения на другую, что придает узлам трения высокую износостойкость. Известно, что при определенных условиях в узлах трения происходит отрыв мелких частиц с одной поверхности и перенос их на другую. Если каждая оторвавшаяся от поверхности частица не будет уноситься из зоны трения, а будет удерживаться противоположной поверхностью, покрывая ее тончайшим слоем и сообщая ей высокую гладкость, то, когда противоположные поверхности окажутся покрытыми тонким слоем меди, износ прекратится.
Открытие эффекта безызносности знаменует собой исполнение вековечной мечты инженеров: трение есть, а износа нет. При всей технической необычности осуществления явление избирательного атомарного переноса при трении имеет много аналогов в живой природе. Суставы животных и человека ведь тоже, по существу, шарниры и подшипники скольжения, а они не только не изнашиваются, но еще и самозалечиваются.
Авторы открытия впервые заметили эффект безызносности, наблюдая трение бронзы о сталь при спирто-глицериновой смазке. Но не все шарниры можно смазать глицерином. Чем его заменить? Были перепробованы сотни составов. В конце концов оказалось, что нужными качествами обладают многие смазки, лишь бы в них содержались поверхностно-активные вещества с восстановительными свойствами.
В случае, если сталь трется о сталь или о чугун - а в них нет ни грана меди, - Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский предложили простой способ, позволяющий устранить износ. В одной из деталей высверливается углубление, в которое запрессовывается кусочек бронзы. Из этого кусочка во время работы будет выделяться медь, обволакивая поверхности и тем предохраняя их от износа.
Очень простым и удобным для стальных поверхностей трения оказалось применение смазок, содержащих мелкодисперсный порошок меди. Такие металлоплакированные смазки, разработанные Всесоюзным научно-исследовательским институтом нефтеперерабатывающей промышленности, весьма эффективны. Авторами открытия предложены и другие способы применения явления избирательного переноса.
Открытие эффекта безызносности имеет особое значение благодаря экономической эффективности. Так, повышение износостойкости машин всего в 2-3 раза сулит нашему народному хозяйству 5-6 млрд. руб. экономии в год. А износостойкость может быть повышена даже в большей степени. Используя это открытие, белорусские ученые В. А. Белый и Б. И. Купчинов создали новую пластмассу, в которой в качестве наполнителя выступает закись меди. При трении вследствие механохимических процессов она восстанавливается в чистую медь, покрывающую тонким слоем как пластмассу, так и контртело (сталь). Износ снижается в десятки раз.
Во много раз повысилась долговечность многочисленных ответственных узлов и агрегатов воздушных лайнеров типа ИЛ и ТУ. Ведется разработка безызносных узлов для разных отраслей промышленности. Исключительно эффективным оказалось применение явления избирательного переноса в глобоидных редукторах, выпускаемых заводом "Красная гвардия" в Одессе. Потери на трение в таком редукторе снижаются в 2 раза, и КПД достигает невиданной величины - 0,9. При этом нагрузка редуктора может быть увеличена на 50-60%, причем редуктор может работать без искусственного охлаждения.
Осуществление режима избирательного переноса в подвижных электроконтактах привело к снижению износа электрических коммутаторов при одновременной возможности увеличения плотности пропускаемого электрического тока до 4 А/мм2. При работе в таком режиме слаботочных контактов, изготовленных из сплава золота, на поверхности их трущихся частей образуется тонкая пленка пластичного золота, которая обеспечивает безызносное трение, высокую проводимость и стабильность контакта.
В целях широкого использования описанного открытия и изобретений, сделанных на его принципе, в 1971 г. в Московском Доме научно-технической пропаганды состоялся научно-технический семинар, посвященный избирательному переносу в узлах трения. Его участники обсудили 18 докладов и конкретных рекомендаций по применению открытия в различных областях народного хозяйства. В 1972 г. там же был собран второй такой семинар. В нем приняли участие представители 200 организаций из 40 городов Советского Союза. Было заслушано 38 докладов по изучению и внедрению избирательного переноса в различные отрасли народного хозяйства. Участники семинара, например, узнали, что использование металлоплакирующих (содержащих мелкие частицы меди или иного металла) смазок для узлов ходовой части только одного автомобиля дает экономию до 280 руб. в год (работы кафедры автомобилей Одесского политехнического института). Успешным оказалось применение избирательного переноса в паре винт - гайка у направляющих финишных станков (работа Гомельского завода имени С. М. Кирова), в торцевых уплотнениях и гидропятах нефтяных насосов (работа Уфимского нефтяного института и других организаций).
Академик А. Ю. Ишлииский и вице-президент Академии наук БССР В. А. Белый писали:
"Сейчас многие предприятия страны получили информацию о новом явлении. Началась "цепная реакция" внедрения "избирательного переноса" в различные отрасли народного хозяйства.
. Научный совет по трению и смазкам АН СССР и Комитет по проблемам износостойкости и трения ВСНТО СССР немало делают для обобщения накопившегося опыта. Однако значимость этого открытия настолько велика, что выходит за рамки названных научных и общественных организаций. Нужны мероприятия государственного масштаба, связанные с планомерным изучением природы "переноса", следует включить эту проблему в план важнейших научно-технических задач, привлечь к ее исследованию ряд отраслевых институтов и, может быть, создать специальный координационный совет.
Видимо, более активно должен подключиться к этому делу Государственный комитет по науке и технике. Академия наук СССР может оказать существенную помощь в дальнейшем развитии теоретических исследований нового научного направления. Тем более что в Институте проблем механики уже создана лаборатория, где изучаются проблемы "избирательного переноса".
Широкое внедрение этого открытия в народное хозяйство позволит сэкономить многие миллионы рублей и немало металла без существенных капитальных затрат.
-->Изобретения -в жизнь! -->
В феврале 2002 года был запатентован способ формирования покрытия на трущихся поверхностях (патент № 2179370 "Способ формирования покрытия на трущихся поверхностях), патентообладатель Сергачев А.П. [1]) для восстановления изношенных механизмов
ГТМ расшифровывается как Геотрибомодификатор и представляет собой особым способом изготовленную смесь природных веществ (серпентин в виде смеси хризотил-асбеста, офита, антигорита и лизардита; амфибол, пирофиллит; ПАВ) с размером зерна 5-40 мкм. Попадая в пятно контакта ГТМ под воздействием силы трения (давления) разрушается с выделением тепла (t° около 1000°С) и диффундирует в поверхностный слой металла, меняя его кристаллическую решетку с одновременным упрочнением. По данным терморентгенографических исследований суть процесса заключается в том, что в контактных зонах кристаллизационная вода в составе кристаллогидратов замещается атомами углерода из углеводородного связующего. Продукты трения, находившиеся в масле до внесения ГТМ, служат "наполнителем" на первоначальном этапе образования углеродного алмазоподобного покрытия. В дальнейшем ГТМ выступает катализатором процесса разложения масла и кристаллизации углерода до тех пор, пока не закончится его действие. Заклинивания механизмов не происходит потому, что со временем исчезает непременное условие "работы" ГТМ - температуры, так как пара кристалл-кристалл имеет в 14 раз меньший коэффициент трения, чем пара металл-металл. Ударная прочность покрытия - 50 кг/кв. мм, коэффициент линейного термического расширения равен такому же коэффициенту металла, на котором покрытие образовано. Износостойкость - в 3 раза выше, чем у закаленной стали и в 8 раз незакаленной. Максимальная величина образующегося слоя - 0,7 мм на радиусе.
Испытания ГТМ, проведенные в лаборатории трибологии кафедры износостойкости машин и оборудования и технологии конструкционных материалов РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина в сентябре 2001 года, по отзыву директора центра по разработке прогрессивных технологических процессов изготовления и ремонта оборудования в газовой промышленности, к.т.н. А.Р. Исхакова, показали:
". Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 по схеме "диск- колодка" в масле И-8 (объем ванночки - 200 мл).
1. За период приработки пары трения потеря массы ролика составила 0,0002 г., а потеря массы колодки - 0,0160 г;
2. В период установившегося режима трения за 30 мин потеря массы ролика составила
О, 0001 г, а колодки - 0,0032 г;
3. После добавки в масло И-8 одного процента порошка ГТМ за 30 мин масса ролика увеличилась на 0,0022, а потеря массы колодки составила всего 0,0004 г;
4. Величина момента сил трения уменьшилась в 14-15 раз по сравнению с периодом установившегося режима трения. . "
Научное открытие - Эффект безызносности
Смазочные материалы Cupper на основе эффекта безызносности
Открытие безызносного трения было сделано еще в 1956 году Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским.
Формула открытия: «Обнаружено, что при трении медных сплавов о сталь в условиях граничной смазки, исключающей окисление меди, происходит явление избирательного переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного ее переноса со стали на медный сплав, сопровождающееся уменьшением коэффициента трения до жидкостного и приводящее к значительному снижению износа пары трения».
Описание открытия: Проблема трения существует столько же, сколько существует техника. Не менее трети энергии в любой современной машине тратится на преодоление бесполезного трения между ее частями, несмотря на подшипники и системы смазки.Износ деталей в сочленениях в одних случаях нарушает герметичность рабочего пространства (например, в поршневых машинах), в других — нормальный режим смазки, в третьих — кинематическую точность механизма.
В результате понижается мощность двигателей, увеличивается расход горюче-смазочных материалов, возникает опасность утечки ядовитых и взрывоопасных продуктов, понижаются точность и чистота обработки изделий на станках. Следует добавить, что все это еще вызывает дополнительные нагрузки, удары и вибрации в сопряжениях и часто становится причиной аварий.
Так или иначе, но каждая машина в свое время требует ремонта. Затраты же на него нередко превышают стоимость нового изделия. Как видим, увеличение долговечности и надежности машин при современной насыщенности народного хозяйства техникой становится одной из важнейших проблем научно-технического прогресса.
Доктора технических наук, профессора Д. Н. Гаркунов и И. В. Крагельский (Институт машиноведения) открыли ранее неизвестное явление избирательного переноса при трении — эффект безызносности. Сущность его состоит в следующем: в паре трения сталь-медь, сталь- бронза или сталь-латунь из твердого раствора благодаря разрушению межатомных связей выделяется медь. Выделившаяся чистая медь переносится на поверхность стали в виде слоя толщиной около тысячной доли миллиметра.Образовавшийся тончайший слой не уносится из зоны контакта, а переходит с одной поверхности трения на другую, что придает узлам трения высокую износостойкость.
Известно, что при определенных условиях в узлах трения происходит отрыв мелких частиц с одной поверхности и перенос их на другую. Если каждая оторвавшаяся от поверхности частица не будет уноситься из зоны трения, а будет удерживаться противоположной поверхностью, покрывая ее тончайшим слоем и сообщая ей высокую гладкость, то, когда противоположные поверхности окажутся покрытыми тонким слоем меди, износ прекратится.Открытие эффекта безызносности знаменует собой исполнение вековечной мечты инженеров: трение есть, а износа нет. При всей технической необычности осуществления явление избирательного атомарного переноса при трении имеет много аналогов в живой природе. Суставы животных и человека ведь тоже, по существу, шарниры и подшипники скольжения, а они не только не изнашиваются, но еще и самозалечиваются.
Теперь это открытие используется в наших смазочных материалах. Подробнее здесь:
Читайте в Дзене
В Объединённой двигателестроительной корпорации Ростеха смотрят в будущее, и поэтому заговорили о создании гибридной силовой установки (ГСУ).
Эту силовую установку планируют использовать в вертолетах Ансат, VRT-500 и Ка-226Т, где сейчас используются импортные двигатели.
Сахалин даже в XXI веке был изрезан "наследием" японкой оккупации словно шрамами на теле. Эти шрамы можно было видеть на любой карте.
Медь сталь пара трения
1 ФГАОУ ВО «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»
Работа посвящена исследованиям процессов трения и изнашивания классической для условий избирательного переноса пары трения медный сплав – сталь в среде глицерина на начальных участках пути трения в диапазоне 70–2100 м. Были проведены рентгеноспектральные и рентгенофотоэлектронные исследования изменений элементного состава поверхностей в процессе взаимодействия триады трения. Установлено, что в начальный период трения происходят процессы микросхватывания и переноса медного сплава на сталь, а также абразивное и коррозионно-механическое изнашивание медного сплава. Отмечено, что на пути трения 70–700 м происходит резкое снижение содержания цинка на поверхности медного сплава и повышение содержания меди в поверхностном слое стального образца. Результаты рентгенофотоэлектронных исследований состава и толщины формируемых пленок на поверхностях трения пары медный сплав – сталь показали, что защитная металлсодержащая пленка с высокомолекулярным соединением формируется как на стальном образце, так и на медном сплаве. Причем, относительно тонкая вначале (порядка 40 нм) на участках пути трения 70–700 м, толщина этой пленки увеличивается примерно на порядок (до 600 нм) на пути трения 700–2100 м и обеспечивает высокую износостойкость и низкий коэффициент трения пары медный сплав – сталь в среде глицерина.
1. Гаркунов Д.Н., Мельников Э.Л., Гаврилюк В.С. Триботехника: учеб. пособие. М.: КноРус, 2011. 408 с.
4. Пичугин В.Ф., Щербинин В.М. Исследование зоны трения пар медный, алюминиевый сплав – сталь, изношенных в глицерине // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. № 9. С. 27–33.
5. Симаков Ю.С., Михин Н.М. О механизме избирательного переноса. Сб. Избирательный перенос при трении. М.: Наука, 1975. С. 6–9.
6. Пичугин С.Д. Исследование функциональных групп в составе медьсодержащей пленки // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2013. № 10. С. 46–48.
7. Pichugin S.D., Malyshev V.N. Infrared Spectral Studies of Copper-containing Film on the Steel Sample. International Journal of Organic Chemistry. 2015. № 5. Р. 10–14. DOI: 10.4236/ijoc.2015.51002.
Важной технической задачей современного машиностроения является повышение износостойкости трущихся сопряжений машин и оборудования, увеличение срока их службы и снижение расходов на эксплуатацию, поскольку до 85 % выхода из строя машин и механизмов происходит, как правило, по причине их изнашивания [1].
Повышение износостойкости трибосопряжений является ключевым направлением по борьбе с изнашиванием на основе использования достижений трибологии, в частности открытия явления избирательного переноса (эффекта безызносности). В этих условиях процесс трения в паре медный сплав – сталь в среде глицерина или спиртоглицериновой смеси ведет к образованию на поверхностях трения сервовитной медьсодержащей пленки, в которой накопление дислокаций при ее деформировании поддерживается на некотором низком уровне, тем самым обеспечивая низкий коэффициент трения и высокую износостойкость подвижных сопряжений [2].
Исследованиям строения и элементного состава медьсодержащей пленки посвящено достаточно много работ [1, 3, 4], однако до сих пор нет однозначного подхода к механизму ее формирования. Причем большинство опубликованных исследований по составу и строению медьсодержащей пленки, как правило, выполнялись после окончания проведения экспериментов и не оценивали эволюцию свойств поверхностей непосредственно в процессе взаимодействия триады трения.
Цель исследования: изучение изменений состава и толщины поверхностных пленок в процессе трения и изнашивания в паре медный сплав – сталь в условиях реализации эффекта безызносности в начальный период взаимодействия подвижного сопряжения.
Материалы и методы исследования
Для выполнения экспериментов использовалась машина трения СМЦ-2 по схеме трения «колодка – ролик» в режиме однонаправленного скольжения. В качестве роликов использовались стальные образцы из стали 40ХН, с твердостью HRC 50-55 и шероховатостью поверхности Ra = 0,74 мкм. Образцы колодки выполнялись из медных сплавов – латуни Л63, бронз БРАЖ9-4, БрОЦС5-5-5 с шероховатостью поверхности Ra = 0,32 мкм. Путь трения разбивали на 6 участков 0–70, 0–210, 0–350, 0–700, 0–1400, 0–2100 м для возможности оценки изменений в трущихся поверхностях пары медный сплав – сталь в зависимости от длины пути. В каждом эксперименте, на каждом участке пути трения, использовались новые образцы. Номинальная площадь контакта равнялась 1,0 см2. Эксперименты проводили при скорости скольжения 1,0 м/с и удельной нагрузке 6,0 МПа. Выбор условий испытаний был обусловлен наиболее распространенными значениями скорости скольжения и удельной нагрузки для подобных пар трения. Износ образцов оценивали весовым методом с точностью до ±0,0001 г. Оценка микрогеометрии контактных поверхностей проводилась на профилографе-профилометре «Калибр» модели 1730311.
Поверхности трения анализировали на растровом электронном микроскопе с рентгеноспектральной приставкой «Камека», а также сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss Leo – 430i с рентгеноспектральным микроанализатором Oxford Instruments с энергодисперсионным детектором. Состав поверхностных слоев в зоне трения как стальных образцов, так и медного сплава, а также толщины сформировавшихся защитных пленок в динамике пути трения изучали с помощью рентгенофотоэлектронного спектрометра ESCALab 5 (Vacuum Generators, GB).
Результаты исследования и их обсуждение
Во всех трех исследованных медных сплавах (латунь Л63 и бронзы БрАЖ9-4, БрОЦС5-5-5) при контакте со сталью в среде глицерина на поверхностях формируется медьсодержащая пленка, однако химический состав медных сплавов оказывает влияние на триботехнические характеристики подвижных сопряжений. При этом наименьший коэффициент трения и износ отмечается при работе трибосопряжения латунь – сталь. В табл. 1 представлены изменения триботехнических характеристик в зависимости от пути трения для пары латунь Л63 – сталь 40ХН в глицерине.
Триботехнические характеристики пары латунь – сталь при испытании в глицерине на различных участках пути трения
Читайте также: