еос — земля) — т. е. трение, износ и смазывание в условиях применения различного рода минералов и других соединений геологического происхождения.
Геомодификатор (РВС — технология) — специальная добавка в смазочные материалы и технологические среды на базе минералов геологического (реже искусственного) происхождения, которые могут вступать во взаимодействие с контактируемыми (трущимися) участками деталей и формировать на них металлокерамический слой, частично устраняющий дефекты поверхностей трения.
Целью работ в этом направлении является создание специальных добавок в топливно — смазочные материалы, способствующих формированию металлокерамического слоя на контактирующих участках поверхностей трения, что приведет к частичному устранению дефектов и обеспечению высоких антифрикционных и противоизносных свойств. Такие материалы, главным образом на основе измельченного и модифицированного серпентина, а также других минералов естественного и искусственного происхождения, получили наименование «геомодификаторы» или РВС — технологии.
Началу исследований в данном направлении положило необычное явление, обнаруженное еще во времена Советского Союза при бурении сверхглубокой скважины на Кольском полуострове. Было выявлено, что при прохождении буровым инструментом (долотом) горных пород, богатых минералом серпентином (змеевиком), ресурс режущих кромок инструмента резко увеличивался.
Серпентин — группа природных минералов, которые встречаются в нескольких видах. Все серпентины — зеленые минералы, образующие жирные на ощупь массивные агрегаты и имеющие слоистую структуру, отдалённо напоминающую графит. Из серпентиновых пород добывают природный асбест (хризотил — асбест). Хризотил — асбест является минералом группы серпентинита, залегает жилами, в виде блестящих зеленоватых поперечно— или продольноволокнистых агрегатов. Элементарные волокна хризотила представляют собой свернутые в тончайшие трубочки серпентиновые листочки, различимые лишь под электронным микроскопом (рис. 10).
Рис. 10. Слоистая структура строения серпентина (слева) и волокна хризотила под электронным микроскопом (справа)
Формула серпентина — Mg6[Si4010](OH)8, или 3MgO2SiO22H20 или (МgОН)6Si4011Н2О.
Серпентин включает несколько минеральных видов:
— антигорит (Mg, Fe)2+3[Si2O5](OH)4;
— хризотил (клинохризотил, ортохризотил, парахризотил) Mg3[Si205](OH)4;
— лизардит Mg5[(OH)8|Si4O10].
Компонентный состав серпентина: МgО — 43 %, SiO2 — 44 %, Н2О —12,1…12,9 % (серпентин содержит около 13 % конституционной воды (в виде ионов гидроксила ОН— и в единичных случаях ионов Н+, располагающихся в узлах кристаллической решетки минерала). Эта вода прочно удерживается внутри минерала при комнатной температуре, но выделяется при нагревании в температурном интервале 300…1300 °C. Выделение воды сопровождается разрушением кристаллической решетки минерала.
Рентгенофазовый анализ геомодификаторов показывает, что эти составы бывают двух видов: один содержит в основном 75…80 % лизардита и 10…15 % хризотила, другой, наоборот, — 10…15 % лизардита и 75…80 % хризотила.
Все слоистые силикаты состоят из двух сеток [Si205]2—, соединенных вместе катионами в компактные пакеты состава [Si4O10]4—. Особенностью каждой сетки [Si2O5]2— является наличие нескомпенсированного электростатического заряда, обусловленного тем, что сетки из кремнекислородных тетраэдров с одной стороны имеют одну свободную валентность, и это определяет появление тетраэдров отрицательного заряда только на одной стороне сетки. В сдвоенных пакетах [Si4O10]4— отрицательные заряды обеих сеток направлены внутрь пакета и скомпенсированы катионами Мg+. Фактически в слоистых пакетах [Si4O10]4— между двумя сетками состава [Si2O5]2— располагается бруситовый слой Мg(ОН)2.
Специфическое строение слоистых силикатов — наличие пакетов, состоящих из гексагональных сеток — слоев, связанных друг с другом очень слабыми связями, определяет и свойства этих минералов: низкую твердость, весьма совершенную спайность и расщепляемость на тонкие пластинки.
Изучение данного явления проводилось в конце 80–х годов прошлого столетия в институте «МеханОбр» (г. Ленинград) под руководством академика В. И. Ревнивцева и при участии к. т. н. Т. Л. Маринича. Ими было установлено, что данный эффект — следствие разложения серпентина в зоне бурения с дополнительным выделением большого количества тепловой энергии. Вследствие этого наблюдается разогрев материала шарошки бурового долота, диффузия в него разложившихся элементов минерала и образование композиционной металлокерамической структуры, обладающей высокой твердостью и износостойкостью.
В 1992 году коллектив ученых (А. Ю. Хренов, Н. В. Уткин, В. В. Казарезов, А. И. Голубицкий, И. В. Никитин) из научно — производственной инновационной фирмы «ЭНИОН — БАЛТИКА» (Санкт — Петербург), созданной на базе ленинградского филиала «Федерация инженеров СССР «ЭНИОН»», продолжила работы над созданием препаратов на базе серпентина. Разработанный ими препарат был назван НИОД («Направленная ИОнизация Диспергированием»).
В январе 1993 года группа в следующем составе: ушедший из «ЭНИОН — БАЛТИКА» И. В. Никитин, а также А. К Агафонов, П. Б. Арацкий, С. И. Бахматов и Е. А. Гамидов, — выпустила первый ремонтно — восстановительный состав (РВС) на базе Кольских серпентинов. Ими были созданы две самостоятельные фирмы — «Промремонт» (Санкт — Петербург) и «Высокие технологии» (Харьков).
С апреля 1996 по сентябрь 1999 года И. В. Никитин работал с группой московских исследователей В. И. Неждановым и В. И. Ермаковым в научно — техническом центре «Конверс — Ресурс», который был образован Международным фондом конверсии для реализации РВС — технологии на практике.
В 1999 году специалистами новосибирской компании ЗАО «Промышленные технологии» подана заявка, а в 2001 году получен патент на изобретение собственного ремонтного состава, получившего торговое наименование — «Motor Doctor».
В настоящее время на отечественном рынке автохимии наиболее известными препаратами этого класса являются: синтезатор металлов F orsan nanoceramics, выпускаемый российской компанией «Нанопром»; восстановители RVS Technology, изготовляемые в Финляндии фирмой «RVC — ТЕС Оу» по лицензии НПО «Руспром — ремонт»; смазочные композиции марки Супротек компания «Супротек», а также нанокондиционер Fenom Nanotechnology российской компании «Автохимпроект».
Рассмотрим более подробно химический состав «геомодификаторов», механизм действия и основные свойства получаемых защитных покрытий.
Точный компонентный и количественный состав своих разработок фирмы держат в строжайшем секрете, поэтому здесь мы можем привести только результаты независимых исследований препаратов сторонними фирмами и литературно — патентного поиска.
По химическому и фазовому составу многие геомодификаторы представляют собой смесь классического магнезиально-железистого силиката (серпентина — Mg6{Si4O10}(OH)8, являющегося формой целого ряда минеральных руд класса оливинов), конечными фазами которого являются форстерит Mg2SiO4 и фаялит Fe2SiO4, а также в незначительных количествах кремнезём SiO2 и доломит CaMg(CO3)2.
В качестве основы (и в определенной степени растворителя) в геомодификаторах, например в ГТМ, используется осветительный керосин ГОСТ 10227—88 (38,5 % по объёму) в полусинтетическим моторном масле 10W-40 (60 %).
В ряде работ предлагается для повышения эффективности образования геомодификаторами керамических защитных покрытий в качестве дисперсионной среды дополнительно к силикатам металлов (антигорит — естественный силикат магния, ревдинскит — минерал, смесь силикатов магния и никеля и др.), измельченным до размера зёрен от 1 до 10 мкм, добавлять мономеры с непредельными связями (диметиловый эфир малеиновой кислоты, пропиоловая кислота и др.).
В основе метода лежит способность этих составов при определенных условиях диффундировать в глубину приповерхностного слоя металла атомов углерода, вызывая образование упрочняющих его дислокаций (возникновение «булатного» эффекта). Базой для этих препаратов служат синтетические порошки оксидов металлов — катализаторов. Их основой являются следующие серпентинизирующие ультрабазиты: амфибол, биотит, ильнетит, магнантит, коротковолокнистый асбест, лизоргит, пирротин, петрандит, серпентин, тальк, альфа, орто— и клинохризотил, халькопирит и т. д. Кроме того, в состав триботехнических смесей могут входить такие минералы, как каолинит, доломит, графит, шунгит.
В последнее время на рынке геомодификаторов появились препараты с новыми минеральными компонентами — бёмитом и цеолитом.
Минерал бёмит, названный по имени немецкого ученого — минералога XX века И. Бёма, в чистом виде в природе встречается довольно редко. Диаспор и бёмит, Al2O3. Н2О и AlO(OH), — полиморфные разновидности одноводного оксида алюминия, находятся в природе в составе бокситов в кристаллической и скрытокристаллической формах. При температуре около 500 °C диаспор и бёмит теряют кристаллизационную воду, превращаясь в безводный глинозем.
Бёмит — минерал из группы окислов и гидроокислов металлов (по имени немецкого минералога XX века И. Бёма (J. Böhm)), применяемый для изготовления ряда ремонтно — восстановительных препаратов автохимии.
Промышленностью налажено производство очень дешевого нанодисперсного искусственного бёмита. Исследования, проведенные в ГНУ ГОСНИТИ по применению синтезированного нанокристаллического бёмита в качестве добавок к смазочным материалам, показывают возможность повышения ресурса деталей и уменьшения трения в процессе эксплуатации на 30…33 %.
Цеолиты — минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов. В 1756 году Ф. Кронштедт обнаружил увеличение объема образца, сопровождающееся выделением воды из минерала стильбита (гидратированные силикаты алюминия) при нагревании. Поэтому он и ввел термин «цеолит» (в переводе с греческого «кипящий камень»). Оказалось, что подобным свойством обладают и другие минералы этого семейства: к