APPLICATION OF COPPER NANOPARTICLES AS AN ADDITIVE TO LUBRICANTING OIL

Abstract

Reviewed opportunity use of copper nanoparticles as an additive to lubricating oil. Add copper nanoparticles lubricating oil can reduce the friction coefficient and the wear of the friction surfaces, increase the power and resources of the engine, thus reducing air pollution. Presents results of tests the parts for friction and wear in the environment of lubricating oil with the addition of copper nanoparticles. Established that the introduction of copper nanoparticles in oil increases its performance properties and reduces abrasion of the surface of friction parts.

Full Text

Введение Использование смазочного масла уменьшает трение между деталями, что повышает эффективность их рабо- ты и уменьшает истирание деталей, что позволяет машине сохранять свою долговечность. Ученые и специалисты про- водят исследования с целью улучшения эксплуатационных свойств смазочных масел. Одним из возможных путей реше- ния данной задачи является использование различных доба- вок к смазочному маслу. Основой большинства добавок к смазочным маслам, разработанных ранее, являются органические материалы. Они обеспечивают поддержание вязкости смазочного масла и предохранение его от окисления. Однако, в высокоскоростных двигателях автомобилей, плавающих объектов и самолетов, высокая температура на поверхности пар трения отрицательно влияет на свойства смазочного масла - снижается его вязкость и разрушается масляная пленка на поверхности трения между деталями, имеющими плоскости соприкосновения. В результате про- исходит истирание поверхностей деталей (например, коль- ца поршня и стенки цилиндра) и, соответственно, снижение долговечности двигателей. Одним из вариантов решения вопроса является исполь- зование достижений нанотехнологий - применение наноча- стиц металлов в качестве добавки к смазочному маслу [1]. Наночастица меди - мягкий металл, у нее низкая проч- ность на сдвиг, а следовательно, хороший характер скольже- ния, низкая точка плавления и хорошая теплопроводность, поэтому она считается хорошим смазочным материалом [2-4]. Близкий размерный фактор атомного и ковалентного радиусов меди и железа дает возможность создания спла- вов с взаимной растворимостью атомов железа и меди. Взаимная растворимость, в свою очередь, обеспечивает 23 ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ МЕДИ В КАЧЕСТВЕ ДОБАВКИ К СМАЗОЧНОМУ МАСЛУ Ким Сен Чхор, Рева В.П. возможность создания трущейся пары, использующей эф- фект перспективного самовосстанавливающего смазочного материала. В работе рассмотрена возможность применения наноча- стиц меди в качестве добавки к смазочному маслу с целью повышения эксплуатационных свойств масла и уменьшения истирания поверхности трущихся деталей. Обоснование возможности применения наночастиц меди как смазочной добавки Наноматериалы - материалы, созданные с использова- нием наночастиц или посредством нанотехнологий, обла- дающие какими-либо уникальными свойствами, обуслов- ленными присутствием этих частиц в материале. Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Для наноматериалов наблюдается изменение температуры плавления в сторону ее понижения [5]. Смазочный материал с добавлением наночастиц меди имеет хорошую износостойкость и уменьшает трение, так как: медь является мягким металлом; точка плавления меди относительно низкая, особенно, ког- да размер частицы меди относится к наномасштабу, то точ- ка плавления значительно снижается. Поэтому наночастицы меди, сплавленные в процессе трения, наплавляются в за- дирах и зазорах и восстанавливают поверхность трения; теплопроводность меди хорошая и ее коэффициент тепло- вого расширения близок к коэффициенту теплового рас- ширения металла поверхности трения, поэтому если она прилипает к поверхности трения, исчезает абляция, кото- рая возникает из-за снижения прочности связи, изменения допуска детали трения и локального перегревания при по- вышении температуры; насыпная плотность наночастиц меди равна 0,1-0,5 г/см3, поэтому наночастицы могут образовать стабильную су- спензию с разными смазочными маслами и не изменять текучесть смазочного масла. Благодаря вышеописанным характеристикам, нанопо- рошок меди имеет широкие перспективы применения в ка- честве добавки к смазочному маслу для улучшения смазки, уменьшения трения и износа, повышения мощности двига- теля, уменьшения загрязнения окружающей среды и увели- чения долговечности всего изделия. На данный момент нет совершенной теории механиз- ма смазочного и восстановительного действия наночастиц меди. Суммируя гипотезы об этом механизме на сегодняш- ний день, можно предполагать [6-9]: наночастицы меди, используемые в смазочном масле, имеют шарообразную форму и при условии низкой нагрузки могут играть роль микроподшипников; благодаря маленькому диаметру, наночастицы меди могут заполнять мелкие пазы и отверстия поверхно- сти трения, поэтому повышается гладкость поверхно- сти и уменьшается трение; наночастицы меди прокатываются по поверхности трения или адсорбируются и образуют пленку со сма- зочным маслом. Даже на гладкой поверхности трения существуют много задиров, трещин и пор. Значит, взаимный контакт поверхно- стейтрениявдействительностиявляетсяконтактоммеждувы- пуклостями. Хотя нагрузка на поверхности трения небольшая, локальное давление на выпуклости очень большое и при этом происходит прилипание и наплавка, вследствие чего возникает износ рабочей поверхности. Когда машина рабо- тает, сила, преодолевающая силу трения, пропорциональна силе контакта между выпуклостями, т.е. прочности на сдвиг. Если добавлять наночастицы меди к смазочному маслу, они легко прилипают к поверхности трения, растворяются в материале детали при высокой температуре и высоком давлении и образуют на поверхности границ трения пленку из меди, прочность на сдвиг которой ниже, чем у материала трущихся деталей, что способствует уменьшению износа тру- щихся поверхностей [10]. Точка плавления наночастиц меди ниже, а ее атомный и ковалентный радиус в сравнении с железом близки друг к другу, поэтому она может легко образовать эвтектический сплав с железом. Следовательно, наночастицы меди могут компенсировать потерю на истирание поверхности детали. Испытание на трение и износ Проведено сравнение характеристик трения и истирания при работе пар трения в двух смазочных маслах: исходном и с добавлением наночастиц меди. Количество наночастиц в смазочном масле определено из анализа [11-12], а также на основании предварительных экспериментов по оптими- зации их содержания. В смазочное масло добавлялись на- ночастицы меди, полученные жидким восстановительным методом с использованием сульфата меди (CuSO4) и гипо- фосфита натрия (NaH2PO2), в количестве 0,1 масс. %. Испытания на трение и истирание пар трения в исход- ном смазочном масле марки Total Quartz SAE 5W-30, а также в масле с добавками наночастиц меди проведены на испыта- тельной машине марки MMW-1 (КНР) (рис. 1). image Рис. 1. Испытательная машина марки MMW-1 Использована пара трения, изготовленная из стали мар- ки 45, твердость деталей составляла 210 HB и 190 HB. Нагруз- ка на поверхность пары трения составляла 300 N при скоро- сти вращения пары 800 об./мин и температуре испытания 80 °С. Коэффициент трения определялся в течение 1 ч работы пары трения. Для сравнения изменения коэффициента трения, пер- воначально сделано испытание в исходном масле, а затем в масле с добавлением наночастиц меди. При этом измене- ние коэффициента трения автоматически регистрировалось в виде графика (рис. 2, 3). 24 Computational nanotechnology 1-2019 ISSN 2313-223X Коэффициент трения Температура, °С 0,10 200 0,09 180 0,08 160 Таблица image Результат испытания пары трения на истирание в среде смазочного масла 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Коэффициент трения Температура Смазочное масло Время испытания, ч Вес образца, г Потеря веса, мг исходный после испытания Исходное 5 121,567 121,560 7 С добавлением наночастиц меди 5 121,560 121,559 1 140 120 100 80 60 40 20 0 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 Время, мин Рис. 2. Изменение коэффициента трения в исходном смазочном масле Выводы Экспериментально подтверждена возможность исполь- зования наночастиц меди в качестве добавки к смазочно- му маслу. Введение наночастиц меди в смазочное масло способствует уменьшению коэффициента трения и износа Коэффициент трения 0,10 Температура, °С 200 трущихся поверхностей. Таким образом, добавление наночастиц меди в смазочное масло является одним из эффек- 0,09 180 тивных способов снижения потерь при трении и повышения 0,08 160 износостойкости трибосистем. 0,07 140 0,06 120 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0,00 Температура Коэффициент трения image 100 80 60 40 20 0 Ли ера yра Zhenyu J. Zhang, Simionesie D., Schaschke C. Graphite and hybrid nanomaterials as lubricant additives // Lubricants. 2014. № 2. P. 44-65. Vadiraj A., Manivasagam G., Kamani K., Sreenivasan V.S. Effect of nano oil additive proportions on friction and wear performance of automotive materials // Tribology in Industry. 2012. Vol. 34. № 1. 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 Время, мин Рис. 3. Изменение коэффициента трения в смазочном масле с добавлением наночастиц меди Как видно (см. рис. 2), в исходном смазочном масле коэффициент трения сначала понижался, а затем, по мере повышения температуры масла более 80 °С, увеличивался до 0,036. Это обусловлено тем, что при повышении темпе- ратуры масла его вязкость снижается и смазочное вещество удаляется из граничной поверхности пары трения, что ведет к интенсификации процесса ее истирания. При испытании пары трения в смазочном масле с добав- ками наночастиц меди в количестве 0,1 масс. % (см. рис. 3), коэффициент трения за все время испытания снизился до 0,012. При температуре масла 80 °С коэффициент трения в смазочном масле с добавлением наночастиц меди, ниже на 60-70 %, чем в исходном смазочном масле. Проведено сравнение износа поверхности пар трения при работе в течение 5 ч в исходном смазочном масле и в масле с добавлением наночастиц меди. Осуществлялось измерение веса образцов пары трения до и после проведе- ния испытания. После окончания испытания образцов на ис- тирание производилась их ультразвуковая очистка в ацето- не, сушка при температуре 50 °С в течение 60 мин., а затем измерение веса. Результаты испытания пары трения на исти- рание в исходном смазочном масле и в масле с добавками наночастиц меди представлены в таблице. Как видно, при добавлении наночастиц меди к смазоч- ному маслу потери веса образцов пары трения значительно уменьшаются.