Шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило

Шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило, що містить халькогенід (сульфід або селенід) металу, яке відрізняється тим, що мастило складається з напівпровідникового порошку на основі халькогеніду галію (GaSe), легованого свинцем (у кількості від 0,34 до 0,72 ат. %) і воднем (в -1 межах від 200 до 350 ррm (млн. )). (19) (21) u201009835 (22) 09.08.2010 (24) 10.05.2011 (46) 10.05.2011, Бюл.№ 9, 2011 р. (72) БАЛИЦЬКИЙ ОЛЕКСІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ, ВУС ОЛЕГ БОГДАНОВИЧ, ЕЛІАШ ЯЦЕК, PL (73) ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМ. Г.В. КАРПЕНКА НАН УКРАЇНИ 3 ватого порошку і створення можливості багаторазового процесу "інтеркаляції-деінтеркаляції" ("накопичення-виділення") з метою запобігання тертьової водневої корозії та підвищення триботехнічних характеристик шаруватих твердих мастил, використовуючи інтенсивне тепло відведення воднем з зони трибоконтакту. Поставлена задача досягається тим, що шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило містить халькогенід (сульфід або селенід) металу, яке відрізняється тим, що мастило складається з напівпровідникового порошку на основі халькогеніду галію (GaSe), легованого свинцем (у кількості від 0,34 до 0,72 ат.%) і воднем (в межах від 200 до -1 350 ppm (млн. )), унаслідок чого відбувається легке сколювання (за рахунок послаблення зв'язків між шарами) та покращуються трибологічні характеристики. Подрібненням порошку здійснювали на планетарному млині шаруватого напівпровідника n-типу провідності, а контрольований процес інтеркалювання воднем зразків GaSe, легованих Рb здійснювали електролітично з 26% розчину H2SO4 + -1 0,25 гл As2О3 з підбором оптимальних густин 2 струму 0,5...3 А/м або у газоподібному водні за температур 873 К та тиску 10 МПа. Проведено додавання отриманого порошку (до 2 мас. %) до мастила типу И-20 (И-20А) з подальшим перемішуванням за допомогою джерел ультразвукових коливань у ванні типу УЗВД-6 або Sonics VCX-500 (з частотами 0,18...0,6 МГц та потужністю до 3 кВт). Густина прикладеної до поверхні частинки енергії в умовах кавітації при повній амплітуді 2 125 мкм становить від 5 до 110 Вт/см . Трибологічні властивості мастил з добавками порошків (GaSe)0,9928Pb0,0072 вивчали в різних умовах та схемах тертя, зокрема на стаціонарній лабораторній установці СМТ-1. Швидкість ковзання нижнього ролика складала 1480 обертів на хвилину (об/хв.), а верхнього 1240 об/хв. (проковзування становило 15%). Нижній ролик (діаметр 42мм), виготовлений із сталі 38ХН3МФА (твердістю 31 HRC). А верхній ролик зі сталі 60Х3Г8Н8В (39 HRC). Лінійна швидкість верхнього ролика складала 2,3 м/с, а нижнього 3,1 м/с. Ширина роликів становила 10 мм. Втрати маси зразків визначали зважуванням на аналітичній вазі RADWAG WAA 160 з точністю 0,0001 г. Структурно-фазовий аналіз проводили на установці ДРОН-3 (випромінювання Cu K). Суть корисної моделі полягає в тому, що процес інтеркалювання протонами з їх локалізацією у міжшаровому просторі кристалічного шаруватого порошку халькогеніду створює можливість багаторазового процесу "інтеркаляції-деінтеркаляції" ("накопичення-виділення") з метою запобігання тертьової водневої корозії та підвищення триботехнічних характеристик шаруватих твердих мастил, використовуючи інтенсивне тепловідведення воднем з зони трибоконтакту. Крім того, за даними рентгенівського аналізу для GaSe параметр кристалічної ґратки с сумарно зростає до 1,596нм. Якщо різниця атомних радіусів галію та введеної металевої домішки (свинцю) не перевищує 15%, переважаючим механізмом її втілення в ґратку 59115 4 GaSe є заміщення атомів галію в вузлах кристалічної ґратки. Але унаслідок значно більшої різниці атомних радіусів галію та введеної металевої домішки - свинцю (понад 22%) заміщення у вузлах решітки не відбувається і основним механізмом розчинення свинцю в моноселеніді галію слід також вважати його локалізацію в міжшаровому просторі кристалу. Таким способом отримане мастило з додатком дрібнокристалічного (GaSe)0,9928Pb0,0072 (параметри ґратки: а=0,3755 нм, с=1,5959 нм, міжплощинні відстані: d002=0,797 нм, d004=0,3985 нм, d100=0,346 нм, d101=0,3186 нм, d102=0,301 нм, d006=0,2656 нм, d008=0,1992 нм). Шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило відрізняється тим, що воно складається з напівпровідникового порошку халькогеніду (на основі GaSe, легованого Рb від 0,34 до 0,72 ат. %), а процес інтеркалювання воднем здійснюється -1 електролітично з 26% розчину H2SO4 + 0,25 гл AS2O3 з підбором оптимальних густин струму 2 0,5...3 А/м або з газової фази за температур 873 К та тиску 10 МПа шляхом його локалізації в міжшаровому просторі шаруватого твердого мастила (в якому послаблені зв'язки між шарами, вздовж яких відбувається сколювання та покращуються трибологічні характеристики і опір тертьовій водневій корозії). Якщо в процесі тертя в зоні контакту виникають тиски до 100 МПа, то фазових перетворень в моноселеніді галію не відбувається. В той же час підтверджено, що водень впливає на параметри ґратки його політипів, накопичуючись в міжшаровому просторі за рахунок інтеркаляції, а досягаючи певних концентрацій - і шляхом втілення в шаровий простір. Зміна концентрації водню призводить до нелінійного росту параметру с GaSe до 1,594 нм. При інтеркалюванні воднем відбувається і ріст параметру а кристалічної ґратки (від 0,375 нм до 0,377 нм), що свідчить про часткове входження водню (на відміну від свинцю) (за механізмом "втілення") в шаровий простір кристалу. Висока теплоємність водню (29,83 Дж/(мольК)), низька густина (у 14 разів менша, ніж повітря) та вищий на 44 % (у порівнянні з повітрям) коефіцієнт тепловіддачі з поверхні сприяють ефективному тепловідведенню із зони трибоконтакту. Суттєвими відмінностями корисної моделі є те, що багаторазові цикли "інтеркалюваннядеінтеркалювання" не призводять до зниження основних характеристик, в тому числі і триботехнічних. Введення халькогенідних добавок галію до мастила призводить до покращення показників у порівнянні з аналогічними даними у випадку використання графітових наповнювачів або порошків природного дисульфіду молібдену (ДМ-1, ТУ 4819-133-75). Якщо за базові показники прийняти трибологічні характеристики композицій з додаванням графітових наповнювачів або порошків природного дисульфіду молібдену, то покращення трибологічних показників змащувальної композиції на основі мастила И-20 з додатками інтеркальованого вод 5 59115 нем Hx(GaSe)0,9928Pb0,0072 більш суттєві (порівняно з прототипом). За умов сухого тертя інтенсивність зношування при навантаженні 20 кг складала для сталі 12Х18АГ18Ш 0,146 грам на 1000 метрів шляху (г/1000 м.ш.), для сталі 38ХН3МФА 0,173 г/1000 м.ш. (коефіцієнт тертя 0,92). Після введення порошку H2(GaSe)0,9928Pb0,0072 коефіцієнт тертя знизився до 0,123, а інтенсивність зношування складала для сталі 12Х18АГ18Ш 0,0399 г/1000 м.ш., а для сталі 38ХН3МФА - 0,00182 г/1000 м.ш. Тривалість випробувань складала 6 хв. Після введення порошку H2(GaSe)0,9928Pb0,0072 різко знижується інтенсивність зношування сталей, що супроводжується плівкоутворенням. При додаванні графіту в ту ж пару тертя коефіцієнт тертя склав 0,4, тобто понад більш як у 3 рази вищим, ніж при терті з порошком H2(GaSe)0,9928Pb0,0072. Коефіцієнти тертя при швидкості проковзуван2 ня 1,1 м/с та приведеному тиску 10,5 кг/см , складають для природного дисульфіду молібдену (MоS2) - 0,03, а для H2(GaSe)0,9928Pb0,0072 - 0,01, тобто є в 3 рази більшим, ніж при терті з порошком H2(GaSe)0,9928Pb0,0072. При додаванні порошку H2(GaSe)0,9928Pb0,0072 в трибоспряження рентгеноструктурним аналізом на поверхні тертя сталей зафіксовано появу оксидних фаз, в першу чергу РbО та Gа2О3. Нові лінії на рентгенограмах, що утворились після тертя, свідчать про складні фізико-хімічні та механічні процеси, що супроводжують процес тертя за участі нового шаруватого інтеркальованого воднем присадного матеріалу та утворенням поверхневоактивних областей (розміром 30...40 нм), що адсорбують кисень (у водневому середовищі утворюються поверхнево активні молекули, здатні регулювати тертьову корозію). Приклад 1 (прототип). Шарувате тверде мастило, яке складається з халькогеніду (дисульфіду молібдену) з додаванням індію або свинцю та модифіковане за допомогою твердотільних джерел кисню та водню (самозмащувальний підшипниковий матеріал). Характеристики шаруватого твердого халькогенідного мастила визначались за методикою, описаною в прототипі [Любинин И.А., Курбатова М.В., Гриневич К.Є., Куликов Л.М., Кѐниг Н.Б., Аксельруд Л.Г., Давыдов В.Н. Трибологические свойства нових смазочных композиций с участием твердых наносмазок - нанокристаллических дису Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 6 льфидов молибдена и вольфрама. - Наносистемы. наноматериалы, нанотехнологии, т. 7, вып. 1, 2009, С.271-278., Куліков Л.М., Кьоніг Н.Б. Спосіб отримання нанокристалічних порошків дихалькогенідів молібдену. - Патент України №81588 від 6.03.2007 p. - Опубліковано бюлетень №1 2008 р. 10.01.2008. - 6с.] і порівнювались з наступними даними: 1. Інтенсивність динамічного зношування, г/1000 м.ш. - 0,1257. 2. Розміри частинок зношування наводнених зразків, мкм - 93. 3. Коефіцієнт тертя - 0,37. 4. Кількість водню, виділеного з твердого мас-1 тила - 200 ррm (млн. ). Приклад 2. Шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило, що складається з напівпровідникового порошку на основі халькогеніду галію (GaSe), легованого свинцем (у кількості 0,34 ат. %) і воднем (200 ррm), Характеристики отриманого шаруватого твердого халькогенідного мастила порівнювались за наступними даними: 1. Інтенсивність динамічного зношування, г/1000 м.шл. - 0,042. 2. Розміри частинок зношування наводнених зразків, мкм - 63. 3. Коефіцієнт тертя - 0,142. 4. Кількість водню, виділеного з твердого мас-1 тила - 200 ррm (млн. ). Приклад 3. Шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило, що складається з напівпровідникового порошку на основі халькогеніду галію (GaSe), легованого свинцем (у кількості 0,72 ат. %) і воднем (350 ррm), Характеристики отриманого шаруватого твердого халькогенідного мастила порівнювались за наступними даними: 5. Інтенсивність динамічного зношування, г/1000 м.шл. - 0,0399. 6. Розміри частинок зношування наводнених зразків, мкм - 54. 7. Коефіцієнт тертя - 0,123. 8. Кількість водню, виділеного з твердого мас-1 тила - 350 ррm (млн. ). Запропоноване шарувате інтеркальоване воднем тверде мастило може бути використане у вузлах пристроїв та механізмів водневої енергетики для полегшення проковзування контактуючих пар, що працюють у водні (зокрема у водневих двигунах та генераторах, що охолоджуються воднем). Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601