Исследования трибосоставов на основе гексагонального нитрида бора

Оптовые поставки химического сырья и промышленной химии по всей России.

Исследования трибосоставов на основе гексагонального нитрида бора
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге

Нитрид бора BN — бинарное соединение бора и азота известен уже свыше 100 лет и материалы на его основе являются основой многих современных технологий.

А нитрид бора гексагональный, как электронный аналог графита имеет очень большое сходство со его структурой. Молярная масса первого — 24,818 г/моль, насыпная плотность 2,18-2,29 г/см³.

Кристаллический нитрид бора изоэлектронен углероду и подобно ему существует в нескольких аллотропных модификациях: гексагональный α-BN , кубический b-BN (боразон) и ромбоэдрический g-BN.

Кристаллическая структура α-BN состоит из графитоподобных сеток, расположенных, в отличие от структуры графита, точно одна под другой с чередованием атомов бора и азота по оси Z. Расстояние между сетками в решетке кристаллов нитрида бора 3,34Ǻ и меньше, чем у графита (3,40 Ǻ), что свидетельствует о более прочной связи между сетками в структуре нитрида бора в сравнении с графитом. Из-за близости структуры и некоторых физических свойств графита и нитрида бора α-BN называют «белым графитом». В отличие от графита отдельные кристаллы α-BN прозрачны. α-BN давно применяется в качестве твёрдой высокотемпературной смазки и в этом превосходит графит.

Гексагональный нитрид бора выпускают предприятий в России и за рубежом по нескольким ТУ:

  • ТУ 2-036-707-77 или ТУ 2-036-238-74;
  • ТУ У 26.8-00222226-007-2003;
  • ТУ 2155-313-05808008-00;
  • ТУ 6-00-05808008-285-93;
  • ТУ 2112-003-49534204-2002.
Характеристики промышленного гексагонального нитрида бора представленны в таблице
Показатели содержания Нормы по ТУ, марок
Гексагональный ГМ ГК
Нитрид бора (α-BN), %, не менее 97,4 97,8 98,0
Оксид бора (B2O3), %, не более 0,2 0,3 0,2
Карбид бора (B4C), %, не более 1,5 0,3
Насыпная плотность, г/см³ не менее 0,33 0,27-0,37 не менее 0,33
Индекс графитации, ед. 1,8-2,5 не более 1,5
Содержание фракции минус 100 мкм, %, не менее 95 95 95
То же, менее 20 мкм, %, не менее 90
Некоторые физические свойства модификаций нитрида бора представленны в таблице
Показатели по кристаллическим модификациям α β γ
Структура и цвет Гексагональный, белый Кубический, типа сфалерита, черный Гексагональный, типа вюрцита, серый
Плотность, г/см³ 2,29 3,45 3,40
Микротвердость, ГПа 0,1-0,7 60-98 49-57
Модуль Юнга, ГПа 34-87 840 790

Нитрид бора гексагональный, например по ТУ 2112-003-49534204-2002, обладает тугоплавкостью (Тдис = 3000ºC), легкостью скольжения, малой твердостью, высокой среди диэлектриков теплопроводностью, интенсивнее графита отводит тепло и инертен к расплавам многих веществ. Нитрид бора по ТУ 26.8-00222226-007-2003 имел цену 2650 руб/кг (или 662,5 руб. на 5 л масла, а КАРАТ-5 700 руб.), а нитрид бора по ТУ 2-036-707-77 — 1200 руб/кг. Однако отпускная цена трибопрепаратов фирмы Wagner (200 г трибосостава на 4 л масла) — примерно 1700 руб., т.е. в 2,4 раза дороже промышленного порошка.

Считается, что α-BN как кристаллическая пластинчатая пористая слоистая структура обладает высокой термостабильностью и смазывающей способностью. А размельчённый до частиц 0,25 мкм беспрепятственно проникает через масляные фильтры. По рекламным данным, как химически инертное вещество, он обладает мощными дисперсионными свойствами, не позволяет формироваться отложениям из моторного масла, поддерживает непревзойдённую чистоту двигателя, существенно повышает смазывающую способность и теплоотвод, необходимый для высокофорсированных ДВС. Заявляется, что нитрид бора и карбон-графит позволяют моторному маслу работать дольше и в более щадящих условиях.

Таким образом, заявлено, что с появлением нитрида бора трибология значительно продвинулась. Полагают, что, классифицируясь «твердой смазкой» с низкой твердостью частиц кристаллов, нитрид бора, как будто, «сглаживает» рабочие поверхности, существенно снижает коэффициент трения и износы деталей.

Акцентируется то, что моторное масло с нитридом бора обеспечивает до 3-х раз меньший коэффициент трения именно при высоких температурах, т.е. основным преимуществом α-BN в сравнении с графитом и дисульфидом молибдена является термостойкость, т.к. α-BN сохраняет свойства смазки до 2760°C в инертной среде и до 1600°C в окислительной атмосфере. Поэтому полагают, что при высокой теплопроводности и термостойкости порошка α-BN снижаются локальные нагревы масла, резко возрастает надежность масляного клина и исключаются задиры сопряжений при высоких температурах.

Однако для обычных ДВС, используемых в нормальных условиях, свойства высокотехнологичных моторных масел избыточны, а из-за их высокой стоимости (до 1300 руб./литр) рядовому потребителю не доступны. Поэтому масла с нитридом бора еще с 90-х гг. широкого распространения так и не получили.

Для проверки рекламных данных о триботехническом нитриде бора нами проведены некоторые исследования продукции фирмы Wagner. Так, на дифрактометре XRD-6000 в ЦКП Наноцентр ГНУ ГОСНИТИ определен фазовый состав порошка керамики фирмы Wagner, а содержание примесей по рентгенофлуоресцентной спектроскопии — на приборе NITON.

Дифрактограмма порошка фирмы Wagner: основной состав по библиотеке ICCD — нитрид бора.

Примеси в порошке нитрида бора по экспресс-режиму рентгено-флуоресцентного спектрометра Niton XL3t 900 приведены в таблице
Вещества Содержание, ppm, по пробам
1 2 3
Fe2O3 574 2700 340
S 839 845 17200
K 2600 11700 7300
Sc 13,09 14 59,39
Ti 30,8 383 552,5
V 25,74 23 86,07
Cr 151,33 158 496,76
Fe 401,07 1900 237,85
Cu 18,9 446 38,56
Mo 13,23 13 17,18
W 202,2 1800 98,32
Всего примесей 4903,72 20125,79 26472,73

Фракционный состав порошка определяли в Наноцентре ГОСНИТИ на инвертированном металлографическом микроскопе OLYMPUS GX51 с программой Stream Basic на двух снимках по 60 измерениям в каждом.

Граничные значения размеров частиц приведены в таблице
Измерение № 1 Измерение № 2
Min Max mean min max mean
1,75 21,14 7,31 3,37 13,43 7,01

Далее в Наноцентре ГОСНИТИ на трибометре TRB-S-DE швейцарской фирмы CSM-Instruments в режиме ступенчатого нагружения проведены сравнительные испытания стальной трибопары палец-диск в чистом моторном масле М-10Г2К и с четырьмя в нем трибосоставами: наноалмазными КАРАТ-5, и КАРАТ-М по 5% от объема масла, аналогично трибосоставов Micro-Ceramic Universal-Oil и Eсо-Universal Oil-Package фирмы Wagner. Нагрузки от 5 до 60 N, путь трения при нагрузке 5 N – 100 м, при других – 500 м.

Зависимости коэффициента трения пары палец-диск от нагрузки в чистом моторном масле М-10Г2К и с трибосоставами.

Для сравнения с данными приведены результаты исследований 2012 г. в Наноцентре ГОСНИТИ масел фирмы Мобил, М-10Г2К, трибосоставов КАРАТ и разработанного в ГОСНИТИ состава «Сарановский», как одного из лучших серпентиновых трибосостатов.

Зависимости коэффициента трения пары палец-диск от нагрузки в чистом моторном масле М-10Г2К и с трибосоставами.

Проведен также анализ скорости изнашивания острия индентора пары «палец-диск» по увеличению диаметра его пятна от 498 до 590 мкм на пути трения, последовательно, вначале на чистом масле М-10Г2К (до 5700 м), далее на том же масле, но с трибосоставом КАРАТ-5 (до 11200 м), аналогично с трибосоставом КАРАТ-М (до 17300 м), а также с трибосоставами Micro-Ceramic Universal-Oil (до 17300 м) и Eсо-Universal Oil-Package (до 31000 м). Апроксимация экспериментальных данных двумя теоретическими кривыми приведена на рис. 5.

Анализ кривой износа по параболе 3-й степени с большим коэффициентом корреляции (0,9459), чем у параболы 2-й степени (0,8586) (рис. 5), может свидетельствовать о том, что все трибосоставы обеспечивали примерно равный темп изнашивания.

Износ индентора (увеличение диаметра пятна) по пути трения пары «палец-диск».

Выводы

Проведенные испытания трибопрепаратов фирмы Wagner, в т.ч. на основе нитрида бора, в сравнении с чистым маслом и наноалмазными составами КАРАТ, не противоречат ранее известным данным о том, что как третье тело высокодисперсные порошки слоистого нитрида бора (α-BN), как и высокодисперсного графита, фторированного графита и дисульфида молибдена, могут предотвращать задир сопряжений, особенно при повышенных нагрузочно-скоростных режимах.

Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.