Нанотехнологии. Правда и вымысел

Явление ИП объясняет причину, по которой компрессоры холодильных установок десятилетиями работают в тяжелейших условиях пуска-останова без отказов и, следовательно, без ремонта, да и практически без какого-либо технического обслуживания: в них образуется определенная самоорганизующаяся система, которая регулирует процессы изнашивания и регенерации трущихся поверхностей.

Чтобы теоретически объяснить процесс восстановления трущихся соединений при их непрерывной и длительной эксплуатации, наиболее важен механизм образования сервовитной пленки. Выявлено, что он может идти двумя путями. Первый характеризуется предварительным схватыванием и «намазыванием» медного сплава на поверхность стали с последующим обогащением сопряженных поверхностей трения медью вследствие избирательного растворения медного сплава и «намазанного» слоя с образованием квазижидкой пленки меди на обеих поверхностях трения. Второй путь связан с коррозией медного сплава и последующим атомарным переносом меди. В период намазывания коэффициент трения повышается, а затем (по мере выделения меди) постепенно стабилизируется и начинает уменьшаться, следовательно, схватывания не происходит.

Для образования сервовитных пленок в соединениях, не содержащих медных или других пластичных сплавов (цинка, олова, серебра, золота, палладия и др.), необходимые компоненты должны быть введены в смазочный материал или другие рабочие жидкости, например топливо, промывочные и охлаждающие жидкости.

Одним из главных факторов, указывающих на наличие одновременного протекания при трении трибокоординации и трибовосстановительного распада, который приводит к самоорганизации фрикционной системы (пары трения), является автоколебание концентрации медьсодержащих продуктов в смазочном материале, то есть наличие определенной эволюции процессов в зоне контакта трущихся поверхностей.

В природе существуют фундаментальные явления, процессы, механизмы (на нано-, микро– и макроуровнях), связанные с физикой, химией, энергетикой поверхностей материалов, веществ и частиц. Возник даже раздел нанотрибология, изучающий физико-химические процессы в пределах наноразмеров.

В результате исследований ученых трение теперь представляется не только как разрушительное явление природы – оно в определенных условиях может быть реализовано как самоорганизующийся созидательный процесс, позволяющий разработать новые, ранее неизвестные методы восстановления деталей и технического сервиса машин. К ним, в частности, относятся: технология финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), методы ускоренной приработки (обкатки) деталей машин и оборудования, безразборное восстановление агрегатов и узлов техники при непрерывной работе и др.

На износостойкость трущихся поверхностей большое влияние оказывает их окончательная (финишная) механическая (абразивная) обработка, при которой уменьшается шероховатость (путем тонкого шлифования, плосковершинного хонингования, суперфиниширования, полирования и т. д.).

Конструкционные материалы, поверхности которых обладали бы одновременно высокими прочностными, антифрикционными и антикоррозионными свойствами, можно получить путем нанесения специальных наноструктурированных покрытий.

Для их нанесения или осаждения существуют различные технологии. В зависимости от комбинации «покрытие-подложка» и условий применения покрытия способы нанесения реализуются с помощью самых разнообразных установок.

В промышленности широко применяется метод фрикционного (с помощью трения) нанесения медьсодержащих покрытий – финишная антифрикционная безабразивная обработка. Покрытия толщиной от 50 до 500 нм из пластичных металлов наносятся в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей: коренные и шатунные шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, реборды и поверхности качения вагонных колесных пар, различного вида штоки, пальцы, резьбовые соединения и т. д.

ФАБО используется в целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования защитных пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) был предложен Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским.

Основные способы ФАБО условно делятся на две группы.

1. Фрикционно-механическое нанесение металлических покрытий инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование или меднение). Фрикционно-химическое нанесение покрытий в металлоплакирующих средах с различными поверхностноактивными веществами и солями металлов, способными к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т. д. из неметаллического инструмента. Фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.

2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.

К разновидностям ФАБО относятся:

• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);

• нанесение покрытий трением с применением щеток (ФРГ);

• натирание поверхности латунью (Россия);

• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);

• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);

• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала (ФРГ) и ряд других.

При двух последних методах упрочнение поверхностных слоев объединено с нанесением покрытий трением.

Использование ФАБО имеет следующие достоинства:

• небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии;

• стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения от оптимальных;

• автоматизация процесса;

• экологическая безопасность;

• высокая экономическая эффективность и др.

Принцип латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси, при достаточно малом усилии нажатия и в присутствии вспомогательного рабочего материала (например, глицерина) натирает слой латуни на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность. Одновременно происходит поверхностное упрочнение основного материала на глубину 70–80 мкм вследствие высокого давления в месте линейного контакта (рис. 65).