Твердые смазочные материалы

Наиболее распространенные ТСМ - графит, дисульфиды и диселениды тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, ниобия), фторированный графит, гекагональный нитрид бора. Вследствие ярко выраженной слоистой (ламеллярной) структуры эти вещества отличаются ярко выраженной анизотропией механических свойств.

На поверхности трения частицы Твердого Смазочного Материала ориентируются кристаллической плоскостью базиса параллельно направлению трения и, следовательно, направлению действия сдвиговых деформаций. Поскольку связи между параллельными плоскостями базиса в кристаллических решётках ТСМ слабее, чем между атомами в плоскости базиса, то обеспечивается лёгкий сдвиг между этими плоскостями.
Рассмотрим этот процесс на примере графита. Его кристаллическую решётку образуют параллельные двухмерные слои, отстоящие на расстоянии 0,34 нм один от другого. Каждый слой образован атомами углерода, расположенными в вершинах правильных шестиугольников.

Расстояние между каждыми двумя соседними атомами в шестиугольнике - менее 0,14 нм. Значительную анизотропию механических свойств и высокую смазочную способность придаёт графиту адсорбция молекул паров воды, газов и т.д. на базовых плоскостях кристаллов, что снижает энергию связи между плоскостями скольжения, обеспечивая низкое сопротивление сдвиговым деформациям. При этом адгезия частиц графита к смазываемой поверхности существенно выше, чем адгезия между плоскостями скольжения, на которых адсорбировались молекулы паров или газов. Поэтому в атмосферных условиях (особенно во влажном воздухе) графит проявляет прекрасные смазочные свойства (коэффициент трения порядка 0,1). Предельная температура его работоспособности 400°С ограничивается температурой его окисления и образования С02. Однако в вакууме и в сухом воздухе, когда адсорбция паров исключена, коэффициент трения возрастает в 4-5 раз и графит как ТСМ неэффективен.

В машиностроении графит нашёл широкое применение для смазки резьбовых соединений, канатов, сальниковых набивок, а также в качестве добавок к жидким и пластичным смазочным материалам. Коллоидный графит используется для изготовления водных или масляных препаратов, вводимых в масла в концентрациях 1...2%. Такое графитированное масло обеспечивает заглаживание поверхностных неровностей, придаёт смазываемым поверхностям более высокую адгезионную способность (т.е. обеспечивает лучшее прилипание масла), способствует повышению долговечности узлов трения.
Дисульфид молибдена MoS2 также имеет гексагональную кристаллическую решётку, причём в параллельных плоскостях чередуются слои атомов молибдена, каждый из которых с обеих сторон окружён прочно связанными с ним атомами серы, образуя своеобразный «сэндвич».
Поскольку связь достаточно слаба, сдвиговое сопротивление по плоскости их раздела очень мало. В то же время адгезия частиц дисульфида молибдена к поверхности металла настолько велика, что достаточно небольших контактных давлений 0,4...0,5 МПа с относительным сдвигом, чтобы эти частицы образовали на поверхности металла прочную плёнку.

Для обеспечения высоких трибологических характеристик MoS2 не требует присутствия паров или газов; поэтому он широко используется как смазочный материал в узлах трения, эксплуатируемых в вакууме (в том числе в открытых узлах трения космических аппаратов), в широком интервале температур - от криогенных до 1100°С при которых начинает разлагаться, а также в сухом азоте и кислороде. В атмосфере воздуха MoS2 работоспособен до температуры 480°С, при превышении которой он начинает окисляться с образованием три- оксида молибдена, не обладающего смазывающими свойствами. Полное обезвоживание MoS2 путём прогрева в вакууме или при бомбардировке ионами, электронами или нейтральными атомами некоторых газов обеспечивает значительное снижение трения (до f = 0,01 и ниже).