Vestnik of Don State Technical UniversityVestnik of Don State Technical UniversityВестник Донского государственного технического университета1992-5980608110.12737/11590Машиностроение и машиноведениеMACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCEМашиностроение и машиноведениеEffect of copper nanoclusters on the tribological properties of steel-steel friction pair in alcohol aqueous solutionsВлияние наноразмерных кластеров меди на триботехнические свойства пары трения сталь-сталь в водных растворах спиртовКосоговаЮлия ПавловнаKosogovaYuliya Павловнаkosogova-up@yandex.ruБурлакова Виктория ЭдуардовнаBurlakova Viktoria Эдуардовнаvburlakova@donstu.ruДроган Екатерина ГеннадьевнаDrogan Ekaterina Геннадьевнаekaterina.drogan@gmail.com30062015300620151524147https://naukaru.ru/en/nauka/article/6081/view
Целью настоящей работы является исследование влияния
атомности спирта на возможность управления самоорганиза-цией для достижения эффекта безызносности при трении в
паре сталь-сталь. Медьсодержащие смазочные композиции
получали в водных растворах многоатомных спиртов в про-цессе электролиза с медным анодом в ультразвуковом поле
(комплексная обработка). Лабораторные испытания триболо-гических свойств полученных смазочных композиций прово-дились на четырехшариковой машине трения с использовани-ем шаров из стали ШХ-15 по ГОСТ 9490-75. Трибологиче-ские свойства пары трения сталь-сталь исследовали на торце-вой машине трения АЕ-5. Размер частиц меди определялся
методом седиментационного анализа с использованием дис-ковой центрифуги марки CPS Disc Centrifuge Model DC24000
в водных растворах многоатомных спиртов. Топографические
исследования наноразмерных кластерных структур металлов
проводили с помощью сканирующего зондового микроскопа
Solver P47H в полуконтактном режиме атомно-силовой мик-роскопии. Топографические исследования сервовитной плен-ки проводили с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа Compact AFM PHYWE. В результате
проведенной работы установлено следующее. Увеличение
времени комплексной обработки водно-спиртовой смеси при-водит к возрастанию противоизносных свойств смазочных
композиций. Показано, что увеличение атомности спирта
облегчает реализацию избирательного переноса. При этом
сокращается время перехода в режим безызносности и
уменьшается износ. Образующиеся молекулярные лигандные
кластеры меди со средним размером 25 нм характеризуются
высокой однородностью. Дорожка трения при этом представ-ляет собой достаточно выглаженную поверхность с низкой
шероховатостью
The purpose of this study is to investigate the influence of the
alcohol atomicity on the self-organizing control capability in
order to achieve the wearlessness effect in the friction pair of
steel-steel. The copper-containing lubricant compositions are
prepared in the electrolysis of the aqueous solutions of
polyatomic alcohols with a copper anode in the ultrasonic field
(complex processing). The laboratory testing of the tribological
behavior of the lubricating compositions is carried out on
four-ball machine using balls of SH-15 steel according to GOST
9490-75. Tribological properties of steel-steel friction pair are
studied on the front friction machine AE-5. The copper particle
size is defined by the sedimentation analysis method using the
disk centrifuge of CPS Disc Centrifuge Model DC24000 brand
in the aqueous solutions of polyatomic alcohols. The topo-graphic studies of the nanocluster metal structures are performed
with the scanning probe microscope (SPM) Solver P47H in the
semi-contact mode of the atomic force microscopy (AFM). The
topographic investigations of a servovit film are conducted with
the use of the scanning atomic force and power microscope of
Compact AFM PHYWE. It is shown that the time increment of
the integrated processing of a water-alcohol mixture leads to the
strengthening of the antiwear properties of lubricant
compositions. Increasing alcohol atomicity facilitates the
implementation of the selective transfer, thus reducing wear and
the transition time in the wearlessness mode. The resulting
molecular ligand copper clusters with an average size of 25 nm
are characterized by high uniformity. Thus, the friction track
represents rather ironed surface with low roughness.
Введение. Проблема повышения ресурса узлов трения машин и механизмов требует поиска новых эффективных пу-тей решения. В настоящее время динамично развивается изучение наноразмерных объектов и систем, которые прояв-ляют принципиально новые свойства и обладают огромным потенциалом использования в реальном секторе экономи-ки. Нанодисперсные частицы металлов имеют уникальные свойства, связанные с размерными эффектами. Благодаря этому их применение при решении трибологических задач позволяет получить материалы с принципиально новыми характеристиками [1–3]. Проведенные ранее исследования показали, что формирование квазикристаллической серво-витной пленки в паре трения сталь-сталь в водно-глицериновой среде, содержащей дисперсную фазу из наноразмер-ных частиц меди, происходит не только за счет трибовосстановительного распада имеющихся медьсодержащих со-единений, но и за счет переноса кластеров металла [4–7].Данная работа продолжает изучение влияния молекулярного строения используемых в составе смазочного материала органических компонентов [8–10]. При этом целью настоящего исследования является изучение триболо-гической эффективности медьсодержащих растворов многоатомных спиртов в паре трения сталь-сталь
Влияние металлоплакирующих присадок на триботехнические характеристики пластичной смазки «Бук-сол» / Гаркунов Д.Н., Бабель В.Г// Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2006. - № 7. - С. 20-25.Garkunov, D. N., Babel, V. G. Vliyanie metalloplakiruyushchikh prisadok na tribotekhnicheskie kharakteristiki plastichnoy smazki «Buksol». [Effect of metal plaque additives on tribological characteristics of “Buksol” lubricant.] Friction & Lubrication in Machines and Mechanisms, 2006, no. 7, pp. 20-25 (in Russian).Методология создания смазочных материалов с наномодификаторами / М. Люты [и др.] // Трение и износ. - 2002. - Т. 23, № 4. - С. 411-423.Luty, M., et al. Metodologiya sozdaniya smazochnykh materialov s nanomodifikatorami. [Methods of creating lu-bricating materials with nanomodifiers.] Friction and Wear, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 411-423 (in Russian).Triboelectrochemistry of the “warless” effect. Mechanism of the forming of the protective layers on steel surface in the process of self-organization in tribosystem “copper - glycerin - steel” / A. S. Kuzharov [et al.] // Friction and wear. -Kuzharov, A. S., et al. Triboelectrochemistry of the “warless” effect. Mechanism of the forming of the protective layers on steel surface in the process of self-organization in tribosystem “copper - glycerin - steel”. Friction and Wear, 1998, vol. 19, no. 6, pp. 768-778.Кужаров, А. А. Триботехнические свойства нанометричных кластеров меди : дис … канд. техн. наук / А. А. Кужаров. - Ростов-на-Дону, 2004. - 136 с.Kuzharov, А. А. Tribotekhnicheskie svoystva nanometrichnykh klasterov medi : dis. … kand. tekhn. nauk. [Tribo-logical properties of copper nanoclusters: Cand.Sci. (Eng.) diss.] Rostov-on-Don, 2004, 136 p. (in Russian).Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu and Co nanoparticles / J. Padgurskas [et al.] // Tribologu International. - 2013. - Vol. 60, № 4. - P. 224-232.Padgurskas, J., et al. Tribological properties of lubricant additives of Fe, Cu and Co nanoparticles. Tribologu In-ternational, 2013, vol. 60, no. 4, pp. 224-232.Tribological behavior and lubricating mechanism of Cu nanoparticles in oil / J. Zhau [et al.] // Tribology Letters. - 2000. - Vol. 8, № 4. - P. 213-218.Zhau, J., et al. Tribological behavior and lubricating mechanism of Cu nanoparticles in oil. Tribology Letters, 2000, vol. 8, no. 4, pp. 213-218.Бурлакова, В. Э. Трибоэлектрохимия эффекта безызносности / В. Э. Бурлакова. - Ростов-на-Дону : Изда-тельский центр ДГТУ, 2005. - 209 с.Burlakova, V. E. Triboelektrokhimiya effekta bezyznosnosti. [Triboelectrochemistry of wearlessness effect.] Ros-tov-on-Don: DSTU Publ. Centre, 2005, 209 p. (in Russian).Кужаров, А. С. Трибоэлектрохимическое поведение стали в систематическом ряду одноатомных спиртов / А. С. Кужаров, В. Э. Бурлакова, К. Кравчик // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2004. - Т. 4, № 1 (19). - С. 47-54.Kuzharov, A. S., Burlakova, V. E., Kravchik, K. Triboelektrokhimicheskoe povedenie stali v sistematicheskom ryadu odnoatomnykh spirtov. [Triboelektrochemical behavior of steel in systematic series of monobasic alcohols.] Vestnik ofDSTU, 2004, vol. 4, no. 1 (19), pp. 47-54 (in Russian).Кужаров, А. А. Синтез и триботехнические свойства нанокластеров меди в водных растворах сорбита / А. А. Кужаров, Ю. П. Косогова, А. С. Кужаров // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. - 2004. - Т. 5, № 4 (26). - С. 628-630.Kuzharov, А. А, Kosogova, Y. P., Kuzharov, A. S. Sintez i tribotekhnicheskie svoystva nanoklasterov medi v vodnykh rastvorakh sorbita. [Synthesis and tribological properties of copper nanoclusters in sorbitol aqueous solutions.] Vest-nik of DSTU, 2004, vol. 5, no. 4 (26), pp. 628-630 (in Russian).Wan, Y. Effects of diol compounds on the friction and wear of aluminum alloy in a lubricated aluminum-on-steel contact / Y. Wan, W. Liu, Q. Xue // Wear. - 1996. - Vol. 193. - P. 99-104.Wan, Y., Liu, W., Xue, Q. Effects of diol compounds on the friction and wear of aluminum alloy in a lubricated aluminum-on-steel contact. Wear, 1996, vol. 193, pp. 99-104.ГОСТ 9490-75. Материалы смазочные жидкие и пластичные. Метод определения трибологических характеристик на четырехшариковой машине / Министерство нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленно-сти СССР ; Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР. - Москва : Издательство стандартов, 1987. - 5 с.GOST 9490-75. Materialy smazochnye zhidkie i plastichnye. Metod opredeleniya tribologicheskikh kharakteris-tik na chetyrekhsharikovoy mashine. [GOST 9490-75. Liquid lubricating and plastic materials. Method of test for lubricating properties on four ball machine.] Ministry of oil refining and petrochemical industry of USSR; State Standards Board of the USSR Cabinet. Moscow: Izdatel´stvo standartov, 1987, 5 p. (in Russian).Preparation and Tribological Properties of Surface-coated Nano-copper Additives / Y. Xu [et al.] // Key Engineer-ing Materials. - 2008. - Vol. 373/374.- P. 580-584.Xu, Y., et al. Preparation and Tribological Properties of Surface-coated Nano-copper Additives. Key Engineering Materials, 2008, vol. 373/374, pp. 580-584.Гаркунов, Д. Н. Триботехника (износ и безызносность) / Д. Н. Гаркунов. - Москва : Издательство МСХА, 2001 - 616 с.Garkunov, D. N. Tribotekhnika (iznos i bezyznosnost´). [Triboengineering (wear and wearlessness).] Moscow: Izdatel´stvo MSKhA, 2001, 616 p. (in Russian).Формирование нанокристаллической структуры на поверхностях трения в присутствии нанопорошков сплавов меди в смазочном материале / Л. В. Золотухина [и др.] // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - № 3. - С. 7-12.Zolotukhina, L. V., et al. Formirovanie nanokristallicheskoy struktury na poverkhnostyakh treniya v prisutstvii na-noporoshkov splavov medi v smazochnom material. [Forming nano-crystalline structure on friction surfaces over а nano-powder of copper alloys in lubricant.] Friction & Lubrication in Machines and Mechanisms, 2007, no. 3, pp. 7-12 (in Russian).Бабичев, А. П. Исследование микро/нанопрофиля цинкового покрытия при вибрационной механохимической обработке углеродистых сталей / А. П. Бабичев, В. В. Иванов, В. Э. Бурлакова // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2014. - № 7 (115). - С. 46-48.Babichev, А. P., Ivanov, V. V., Burlakova, V. E. Issledovanie mikro / nanoprofilya tsinkovogo pokrytiya pri vi-bratsionnoy mekhanokhimicheskoy obrabotke uglerodistykh staley. [Research of micro/nanoprofile zinc coating with vibration mechanochemical treatment carbon steels.] Strengthening Technologies and Coatings, 2014, no. 7 (115), pp. 46-48 (in Rus-sian).Косогова, Ю. П. Нанотрибоэлектрохимические технологии при реализации эффекта безызносности в вод-но-спиртовых средах : автореф. дис. … канд. техн. наук / Ю. П. Косогова. - Ростов-на-Дону, 2009. - 23 с.Kosogova, Y. P. Nanotriboelektrokhimicheskie tekhnologii pri realizatsii effekta bezyznosnosti v vodno-spirtovykh sredakh : avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Nanotriboelectrochemical technologies during the implementation of wearlessness effect in aqueous-alcoholic media: Cand.Sci. (Eng.) diss., author’s abstract.] Rostov-on-Don, 2009, 23 p. (in Russian).