Твердосмазочные материалы.

К твердосмазочным материалам (ТСМ) относятся вещества, наносимые на поверхность деталей в виде пленок, имеющие сдвиговую прочность значительно меньшую, чем у материала детали. Иными словами, эти вещества должны обеспечить положительный градиент сдвиговой прочности в направлении внутренней нормали к границе твердой поверхности: dt/dn>0.  

В качестве твердых смазок используют:  

-             слоистые вещества с резкой анизотропией прочности, обусловленной особенностями кристаллического строения;  

-             тонкие пленки мягких металлов, их окислов;  

-             пленки пластмасс;  

-             химические соединения, образованные на поверхности детали путем обработки активными реагентами, содержащими хлор, фосфор, азот, серу и др.  

ТСМ применяются:  

-       при работе в условиях, когда жидкие и пластичные смазки не применимы из-за специфики эксплуатации узла, например в агрессивных средах;  

-       в сопряжениях, работающих в условиях малых скоростей скольжения и высоких контактных давлений;  

-       при высоких температурах, когда масла разлагаются, а также при низких температурах (криогенных), когда масла замерзают;  

-       в условиях, когда недопустимо загрязнение окружающего пространства, при работе в жидких средах, в вакууме;  

-       когда необходимо смазывать неметаллические поверхности, например керамику;  

-       в скользящих электрических контактах с использованием проводящих материалов: графит, легкоплавкие мягкие металлы;  

-       при воздействии радиации.  

Наиболее распространенным типом ТСМ являются слоистые материалы: графит, дисульфиды, деселениды молибдена и др.
        
Поэтому  сдвиговая  прочность  графита  в  направлении, параллельном заполненным атомами углерода кристаллическим плоскостям, намного меньше, чем в направлениях, соответствующих разрыву ковалентных связей. Эффект смазочного действия графита определяется тем, что молекулы воды, содержащейся в воздухе, сорбируются в межплоскостных промежутках и еще больше ослабляют межплоскостные связи. Поэтому смазочные свойства графита слабо проявляются в вакууме и при температуре более 100 ºС. При отсутствии влаги коэффициент трения поверхностей, разделенных графитовой прослойкой, достигает 0,3, в то время как при наличии сорбированной влаги он составляет примерно 0,05. Это обстоятельство ограничивает использование графита. Однако в общем машиностроении графит нашел широкое применение для смазки сухих резьбовых соединений, канатов, поджимных сальниковых набивок, в качестве добавки в трансмиссионные масла и т.д.  

Аналогичное строение имеют кристаллы дисульфида молибдена. Атомы молибдена связаны друг с другом прочными химическими связями вдоль сторон правильных шестиугольников. Атомы серы тоже химическими связями соединены с атомами молибдена и образуют разветвленную объемную структуру, отделяя соседние слои атомов молибдена друг от друга. Между атомами серы соседних слоев реализуются слабые Ван-дер-Вальсовы взаимодействия, а следовательно, вдоль границы раздела прослоек атомов серы реализуется низкое сопротивление сдвигу. Влага в данном случае не играет роли, поэтому дисульфид молибдена используется для смазки узлов, работающих в экстремальных условиях: в высоком вакууме, при температуре до 800 ºС. Достоинствами графита и дисульфида молибдена является то, что они часто встречаются в природе в виде минералов, которые добываются промышленными способами.  

Как следует из приведенных выше примеров, ТСМ принадлежат к слоистым соединениям. Они обладают высокой анизотропией прочности, выдерживают температуру более 400 ºС, обладают высокой адгезией к металлу, малым газовыделением в вакууме, низким коэффициентом трения.  

Как уже отмечалось, основные типы ТСМ — графит, дисульфид молибдена (MoS2), дисульфид вольфрама (WS2) и некоторые другие соединения (MoSe2, Wse2, NbSe2, PbI2, BN).  

Так, например, слой MoS2 может воспринимать статические нагрузки до 3×103 МПа и  динамические — до 103МПа, т.е. он практически работоспособен до давлений, равных пределу текучести многих металлов, прекрасно работает в вакууме, сохраняя стабильность до температуры 1100 ºС (на воздухе — до 450 °С).  

Дисульфид вольфрама обладает большей теплостойкостью на воздухе (до    510 ºС) и большей стойкостью к окислению, химически инертен, не растворим почти во всех средах (вода, масло, щелочи, кислоты); чувствителен лишь к воздействию свободного газообразного фтора, горячих серной и плавиковой кислот; нетоксичен и не вызывает коррозии металлов.  

Коэффициент трения слоистых материалов зависит от толщины покрытия. При достаточно тонком покрытии значение коэффициента трения определяется слабым адгезионным взаимодействием между мягкой пленкой и материалом контртела и твердостью подпленочного материала.