Российские ученые разработали инновационную технологию обработки поверхности для снижения трения и износа в подшипниках скольжения. Причем, такие процессы проходят в условиях высоких скоростей и нагрузок без использования смазочных материалов. Исследователи считают это прорывом в трибологии — науке, изучающей процессы трения, изнашивания и смазки.
Работу проводил коллектив ученых из Удмуртского госуниверситета, Института физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, Удмуртского государственного аграрного университета и Удмуртского ФИЦ УрО РАН.
В механических системах редко встречаются узлы, где поверхности взаимодействуют без скольжения друг по другу, объяснил руководитель научной группы в Екатеринбурге, заведующий отделом материаловедения Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН член-корреспондент РАН Алексей Макаров.
«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», — рассказал ученый.
Подшипники скольжения помогают уменьшить трение 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.
При этом подшипники скольжения нормально функционируют, как правило, при наличии смазки. Эта зависимость от смазки становится критической 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 может произойти их прямой контакт.
Как объясняют ученые, 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. Авторы разработки определили, что висмут — один из лучших кандидатов для формирования трибопленки между сплавом на основе меди — бронзой, а также другими материалами, из которых изготавливаются подшипники скольжения, и сплавом на основе железа — сталью. Но создание сплавов «железо-висмут» или «медь-висмут» остается нерешенной задачей, ведь эти металлы полностью не смешиваются даже в жидком состоянии.
«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», — отметил руководитель научной группы в Ижевске, заведующий лабораторией физики и химии материалов Удмуртского госуниверситета профессор Евгений Харанжевский.
Исследования показали: стальные диски с легированной висмутом поверхностью, испытанные в условиях жесткого 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.
Новая технология 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.
Исследование представлено журнале Scientific Reports (входит в группу журналов Nature).
