दक्षिण-यूराल स्टेट यूनिवर्सिटी, रूसी विज्ञान अकादमी (RSA) के ए.यु.इश्लिंस्की (IMP) के नाम पर मैकेनिक्स प्रॉब्लम्स संस्थान, और रूसी संघ के रक्षा मंत्रालय के 25वें स्टेट साइंस-रिसर्च केमोटोलोजी संस्थान के विशेषज्ञों ने सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स के एंटी-फ्रिक्शन गुणों का शोध और तुलनात्मक विश्लेषण किया है, जिनका उद्देश्य अन्य उद्देश्यों के अलावा घर्षण को कम करना और उच्च-शक्ति वाले डीजल आंतरिक-दहन इंजनों के पिस्टन स्कर्ट-और-सिलेंडर लाइनर जोड़ी में स्कफिंग बनने से रोकना है।
यह कार्य रूसी संघ के विज्ञान और उच्च शिक्षा विभाग के अनुदान द्वारा राज्य कार्य संख्या 9.7881.2017/БЧ के भाग के रूप में, और आंशिक रूप से RSA के IMP की ट्राइबोलॉजी प्रयोगशाला के लिए राज्य कार्य के विषय (राज्य रजिस्ट्री संख्या АААА-А20-120011690132-4) पर पूरा किया गया था।
परीक्षण परिणामों के अनुसार, यह पता चला है कि एंटी-फ्रिक्शन सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स का उपयोग अध्ययन के तहत इकाई में घर्षण को काफी कम करता है।
कुछ सामग्रियों ने कम मान प्रदर्शित किए हैं जिनकी तुलना लुब्रिकेटिंग एजेंट की उपस्थिति में और तत्वों के बीच सीधे धातु संपर्क की अनुपस्थिति में भागों के संपर्क की स्थितियों से की जा सकती है।
शोध की प्रासंगिकता
उच्च-शक्ति वाले डीजल इंजन पर भार का एक बड़ा हिस्सा (66% तक) पिस्टन स्कर्ट, पिस्टन रिंग और बियरिंग्स पर होता है।
सीधे पिस्टन-टू-सिलेंडर और पिस्टन रिंग-टू-सिलेंडर घर्षण जोड़ों में, घर्षण हानि इंजन में सामान्य घर्षण हानि का 50% बनाती है।
इससे संबंधित, एंटी-फ्रिक्शन कोटिंग्स की भूमिका जो भागों के घर्षण हाइड्रोडायनामिक शासन के टूटने की स्थिति में घर्षण को कम करने में सक्षम हैं, बहुत महत्वपूर्ण है।
ICE में कोटिंग्स के कार्य:
- घर्षण और घिसाव गुणांक को कम करना
- ईंधन की खपत घटाना
- मोटर तेल की कमी पर स्कोर्स को रोकना: कोल्ड स्टार्टिंग, मैकेनिकल या हीट पिस्टन डिफॉर्मिंग, स्वीकार्य सेवा तापमान से अधिक होने, तेजी से ऑक्सीकरण की ओर झुकने वाले गैर-गुणवत्ता वाले तरल पदार्थ का उपयोग करने आदि पर
उच्च-शक्ति वाले डीजल इंजन के संचालन की अपनी कुछ विशेषताएं हैं। सबसे पहले, ये पिस्टन की हीट विकृति हैं। दूसरा, मिश्रित और सीमावर्ती घर्षण मोड के परिणामस्वरूप पिस्टन स्कर्ट का प्रबल घिसाव जो घटित होता है।
इसीलिए भागों के लिए लंबी सेवा अवधि प्रदान करने के लिए, सेवा गुणों पर सर्वोत्तम कोटिंग का चयन करना और उत्पाद को लागू करने के लिए उपचारित किए जाने वाले भाग की सतह की प्रारंभिक तैयारी के चरण में बेस के साथ उसका उच्च आसंजन प्रदान करना दोनों महत्वपूर्ण है।
पिस्टन स्कर्ट के लिए आयातित सामग्रियां, एक नियम के रूप में, ग्रेफाइट और अन्य ठोस स्नेहन घटकों पर आधारित होती हैं, और एल्यूमीनियम-से-एल्यूमीनियम घर्षण जोड़ों के लिए वे आयरन फॉस्फेट और अन्य पर आधारित होती हैं। (Grafal/EvoGlide, Tin, Ferrostan/FerroTec, Ferroprint प्रकार की घिसाव-प्रतिरोधी नेट जैसी कोटिंग, और अन्य)।
Grafal/EvoGlide एक पतली पॉलिमर मैट्रिक्स बनाते हैं जिसमें छोटे ग्रेफाइट कण फैले होते हैं, और उनकी संरचना में उपयोग किए जाने वाले बांधने की मशीन (binder) के प्रकार से भिन्न होते हैं।
उन्हें किसी भी निर्माण सामग्री के पिस्टन पर लागू किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, टिन और एल्यूमीनियम फॉस्फेट पर आधारित अन्य यौगिकों के विपरीत। वे विशेष रूप से एल्यूमीनियम तत्वों पर उपयोग किए जाते हैं।
एल्यूमीनियम और स्टील दोनों पिस्टन पर घर्षण को 15 से 30% तक कम करने के लिए, आयरन फॉस्फेट पर आधारित एंटी-फ्रिक्शन कोटिंग्स लगाई जाती हैं।
ग्रेफाइट या मोलिब्डेनम डाइसल्फाइड के साथ इसके संयोजन पर आधारित कोटिंग्स, जो स्तरित क्रिस्टल संरचना के ठोस स्नेहन घटक हैं, का उपयोग पिस्टन स्कर्ट पर भी किया जाता है। घिसाव को कम करने और स्कोर्स के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करने के लिए उनके उपयोग से सकारात्मक प्रभाव कई विज्ञान अध्ययन परिणामों में देखा गया है।
उच्च-शक्ति वाले डीजल और आंतरिक-दहन इंजन इकाइयों में उपयोग की जाने वाली अधिकांश कोटिंग्स बड़े पैमाने पर विदेशों में उत्पादित की जाती हैं।
इससे संबंधित, एक प्रासंगिक मुद्दा ऐसी सामग्रियों को रूसी समकक्षों के साथ बदलना है जो देश के क्षेत्र में एकमात्र कंपनी द्वारा डिजाइन और जारी किए गए हैं - Modengy, LLC। यह ब्रयांस्क शहर में स्थित है।
शोध करने के लिए, कंपनी ने नमूने के रूप में अपनी कई कोटिंग्स प्रदान की हैं।
MODENGY कोटिंग्स के बारे में
MODENGY एंटी-फ्रिक्शन सॉलिड-फिल्म कोटिंग्स तरल यौगिक हैं जिनमें ठोस स्नेहन सामग्री, बाइंडर्स और सॉल्वैंट्स के अति सूक्ष्म कण होते हैं।
विशेष तरीके से तैयार की गई भाग की सतह पर छिड़काव (spraying), सेंट्रीफ्यूजिंग के साथ डिपिंग, या स्क्रीन प्रिंटिंग की विधि द्वारा लागू किए जाने के बाद, और कमरे के तापमान पर, या भट्ठे में गर्म करके पॉलीमराइज़ करने के बाद, वे एक पतली परत (20 µm तक) बनाते हैं जो ठोस स्नेहक कणों के साथ एक बांधने की मशीन का एक मैट्रिक्स है जो इसकी कोशिकाओं में फैले होते हैं।
यह एक नई बिजली इकाई के रगड़ने वाले हिस्सों के रनिंग-इन के दौरान और 'तेल की कमी' के क्षणों में स्कोर्स के खिलाफ सुरक्षा प्रदान करने में सक्षम बनाता है।
इस प्रयोग में ग्रेफाइट, या ग्रेफाइट और मोलिब्डेनम संरचना पर आधारित MODENGY कोटिंग्स ने भाग लिया।
परीक्षण की स्थिति और नमूने
परीक्षण प्रयोगशाला ट्राइबोमीटर पर आयोजित किए गए थे जो स्थिर पिस्टन स्कर्ट तत्व के सापेक्ष सिलेंडर लाइनर टुकड़े की आगे-पीछे गति की काइनेमेटिक योजना के अनुसार दिए गए घर्षण जोड़ी के संचालन का मॉडलिंग करते हैं।
रूसी Modengy कंपनी की कोटिंग्स (विशेष रूप से, MODENGY For the ICE Parts, MODENGY 1006, MODENGY 1066, MODENGY 1007) को पिस्टन स्कर्ट सेगमेंट की सतह पर लगाया गया था।
घरेलू निर्माता से इन कोटिंग्स के संचालन की दक्षता का पता लगाने के लिए तुलना के लिए नमूना ग्रेफाइट पर आधारित आयातित कोटिंग थी जो भारी-भार वाले वाहन डीजल इंजन के स्टील पिस्टन पर सफलतापूर्वक उपयोग की जाती है। इसे ग्राफ पर नमूना संख्या 1 के रूप में चिह्नित किया गया है।
चित्र 1. कोटिंग नंबर 1 सामग्री का फोटो (a) और स्पेक्ट्रोग्राम (b)
दी गई सामग्री का आधार बिना मोलिब्डेनम जोड़े कार्बन है।
परीक्षण की स्थिति डीजल इंजन परिचालन स्थितियों के साथ तुलनीय थी: +110 °C तापमान, 50 से 450 N रेंज के भीतर मानक भार, 20 Hz की स्थिर आगे-पीछे गति आवृत्ति।
अध्ययन के तहत सभी कोटिंग्स के संचालन की ऊपरी तापमान सीमा +250 ºС से अधिक नहीं है।
परीक्षण आयोजित करने के लिए नमूने उच्च-शक्ति वाले डीजल इंजन के पुर्जों से काटे गए थे।
कोटिंग्स को बारी-बारी से स्टील से बने पिस्टन स्कर्ट से प्राप्त पिन के आकार के टुकड़े पर लगाया गया था।
पहली कोटिंग के नमूने को लगाने से पहले, और परीक्षण के प्रत्येक चरण के बाद, पिन को सैंडब्लास्टिंग के अधीन किया गया था। इसने पहले से परीक्षण की गई सामग्रियों के अवशेषों से छुटकारा पाने, सतह को सक्रिय करने और एक सुरक्षात्मक फिल्म को हटाने में सक्षम बनाया।
सैंडब्लास्टिंग के बाद नमूने 1, 3, 4, 5 और 6 (तालिका 1 देखें) को मैंगनीज फॉस्फेट के साथ भी उपचारित किया गया था जो कोटिंग और स्टील पिन के बीच सामंजस्य को अतिरिक्त रूप से सुधारने में सक्षम बनाता है।
उसी पावर यूनिट से मिश्र धातु कास्ट आयरन (ρ=7000 kg/m3) के सिलेंडर लाइनर से बनी एक प्लेट ने कोटिंग के साथ कवर स्टील पिन के लिए एक काउंटर नमूने के रूप में कार्य किया।
परीक्षण आयोजित करने के तरीके
परीक्षण हीट चैंबर के साथ प्रयोगशाला ट्राइबोमीटर पर आयोजित किए गए थे।
काइनेमेटिक योजना में निश्चित और उस पर दबे हुए पिन के सापेक्ष प्लेट की आगे-पीछे गति का इरादा था।
चित्र 2. ट्राइबोमीटर होल्डर में स्थापित घर्षण जोड़ी के फोटो जहां 1 – पिन-नमूना, 2 – प्लेट, 3 – हीट चैंबर
प्रयोग शुरू करने से पहले, अल्ट्रासोनिक बाथ में गालोशा विलायक में नमूनों की 5 मिनट लंबी धोलाई, और फिर सभी संदूषणों को हटाने के लिए एथिल अल्कोहल में धुलाई की गई।
अध्ययन की जाने वाली घर्षण जोड़ी की कोई फिटिंग-इन नहीं की गई थी।
परीक्षणों ने वास्तविक जीवन की परिचालन स्थितियों में से एक को फिर से बनाया: इंजन के चरम परिचालन मोड में थोड़े समय के लिए सीमा घर्षण की उपस्थिति।
परीक्षण करते समय, पिन नमूने और प्लेट को ट्राइबोटेक्निकल प्लांट के होल्डर्स में रखा गया था, हीट चैंबर को ढक्कन के साथ बंद कर दिया गया था। उसके बाद अध्ययन की जाने वाली सामग्रियों की परिचालन स्थितियों की नकल करने के लिए 55 से 60 मिनट के दौरान एक्सपोजर के साथ +105 से +115 °C तक हीटिंग की गई थी।
प्लेट नमूने की आगे-पीछे गति की आवृत्ति स्थिर - 20 Hz थी, और गति आयाम 6 मिमी था।
घर्षण गुणांक का पता लगाने के लिए परीक्षण के दौरान मानक भार 100 N स्टेप द्वारा 50 से 450 N रेंज के भीतर चरणबद्ध तरीके से बढ़ा।
अधिकतम लोडिंग पर, डीजल विशिष्ट भार के चरम मान प्राप्त करना संभव था।
प्रत्येक भार स्तर पर, 5 मिनट के दौरान नमूनों का परीक्षण किया जा रहा था। प्रत्येक कोटिंग के लिए पूरा परीक्षण 25 मिनट का था।
प्रयोग को पूर्ण बनाने के लिए, सैंडब्लास्टिंग विधि द्वारा उपचारित नमूनों के साथ-साथ तत्वों पर भी परीक्षण किए गए जिनमें उनकी सतह पर 2 से 4 मिलीलीटर की मात्रा में Castrol 5W40 मोटर तेल लगाया गया था।
प्रत्यक्ष और विश्वसनीय परिणाम प्राप्त करने के लिए, सभी प्रयोगों को 3 बार दोहराया गया।
अनुसंधान परिणाम
चित्र 3 पर, मानक भार P से घर्षण गुणांक μ की विशिष्ट निर्भरताएं प्रस्तुत की गई हैं।
यह टिप्पणी करना आवश्यक है कि संपर्क में मोटर तेल की उपस्थिति में, कोटिंग के साथ और बिना दोनों नमूनों के लिए घर्षण गुणांक मान में कोई अंतर नहीं था, इसीलिए चित्र 3 पर लुब्रिकेटिंग सामग्री के उपयोग के साथ केवल एक कोटिंग संस्करण (कोटिंग नंबर 1) के परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं।
चित्र 3. परीक्षण समय t से घर्षण गुणांक µ की निर्भरता जहाँ नमूनों की संख्या आंकड़ों के साथ दर्शाई गई है
सभी प्रयोग श्रृंखलाओं में आयोजित किए गए थे, प्रत्येक निम्नलिखित प्रयोग नए तैयार नमूनों पर किया गया था।
प्रयोग परिणामों के अनुसार प्राप्त आरेखों को प्रयोगों के लिए सांख्यिकीय विश्लेषण पद्धति का उपयोग करके संसाधित किया गया था। गणना किए गए घर्षण गुणांक औसत मान, और सभी परीक्षण किए गए नमूनों के लिए उनकी बदलती सीमा तालिका 1 में और चित्र 4 पर प्रस्तुत की गई है।
तालिका 1
|
उत्पाद का नाम और संरचना |
नमूना संख्या |
मानक भार P, N पर घर्षण गुणांक |
||||
|
50 |
150 |
250 |
350 |
450 |
||
|
कोटिंग नंबर 1, विशेष बाइंडर, ग्रेफाइट |
1* |
0,42±0,09 |
0,39±0,07 |
- |
- |
- |
|
Modengy 1007 पॉलियामाइडिमाइड, ग्रेफाइट |
2 |
0,26±0,03 |
0,16±0,04 |
0,14±0,05 |
0,14±0,03 |
0,18±0,04 |
|
3* |
0,22±0,07 |
0,17±0,05 |
0,17±0,03 |
0,13 |
0,12±0,03 |
|
|
MODENGY For the ICE Parts, विशेष बाइंडर, ग्रेफाइट और MoS2 |
4* |
0,16±0,03 |
0,11±0,01 |
0,11±0,01 |
0,10±0,02 |
0,11±0,02 |
|
Modengy 1066 Modengy 1006 पॉलियामाइडिमाइड, ग्रेफाइट और MoS2 (विभिन्न सांद्रता) |
5* |
0,13±0,05 |
0,12±0,01 |
0,11±0,03 |
0,12±0,02 |
0,11±0,01 |
|
6* |
0,12±0,04 |
0,10±0,02 |
0,10±0,01 |
0,10±0,01 |
0,11±0,02 |
|
|
कोटिंग नंबर 1 (मोटर तेल के साथ) |
7 |
0,14 |
0,13 |
0,13±0,01 |
0,13 |
0,12 |
|
कोई कोटिंग नहीं |
8 |
0,69±0,08 |
0,58±0,06 |
- |
- |
- |
चित्र 4. मानक भार P से घर्षण गुणांक µ की निर्भरता जहाँ नमूनों की संख्या आंकड़ों के साथ दर्शाई गई है
परीक्षण के अधीन सभी कोटिंग्स के लिए, मानक भार बढ़ने के साथ घर्षण गुणांक कम होता देखा गया जो स्तरित संरचना की ठोस स्नेहन सामग्री पर आधारित कोटिंग्स के लिए विशिष्ट है।
मैंगनीज फॉस्फेटिंग का उपयोग कोटिंग के घिसाव-प्रतिरोध को बेहतर बनाने में सक्षम बनाता है। उच्च भार (350 से 450 N) पर फॉस्फेट कोटिंग के बिना नमूनों पर आधार सतह पर एंटी-फ्रिक्शन कोटिंग का तेजी से विनाश देखा गया।
कोटिंग वाले नमूनों पर घर्षण प्रक्रिया को स्थिर के रूप में चित्रित किया जा सकता है क्योंकि उनके पास बिना कोटिंग वाले नमूनों की तुलना में 70% कम ध्वनि विकिरण होता है।
नमूना संख्या 1 ने बढ़ा हुआ घर्षण गुणांक प्रदर्शित किया है। इस घटना को समझाने के लिए, 50 ... 5000 गुना के आवर्धन रेंज में Jeol JSM-7001F स्कैनिंग इलेक्ट्रॉनिक माइक्रोस्कोप का उपयोग करके परीक्षण पास करने के बाद नमूनों की सतहों का सूक्ष्म अध्ययन किया गया था।
चित्र 5. BSE (а) EDS (b) डिटेक्टरों पर प्राप्त कोटिंग नंबर 1 SEM फोटो
कोटिंग का एक्स-रे प्रतिदीप्ति विश्लेषण माइक्रोस्कोप पर स्थापित Oxford INCA X-max 80 ऊर्जा फैलाने वाले स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके किया गया था। स्पेक्ट्रोमीटर ने 5 (В) से 92 (U) तक परमाणु संख्या वाले तत्वों का विश्लेषण करने में सक्षम बनाया। सिस्टम स्वचालित है, और इसमें 0.1 द्रव्यमान% तक संवेदनशीलता है, जो इस विश्लेषण को करने के लिए आवश्यक है।
कोटिंग नंबर 1 वाले नमूनों के बट-एंड सूक्ष्म वर्गों के माइक्रोस्ट्रक्चर विश्लेषण ने कई निष्कर्ष निकालने में सक्षम बनाया: कोटिंग लगाने से पहले, मैंगनीज फॉस्फेटिंग की गई थी, परत की मोटाई 3 µm है; फॉस्फेट परत को ध्यान में रखते हुए परीक्षणों के बाद कोटिंग की मोटाई लगभग 10 µm है।
यह माना जा सकता है कि बढ़ा हुआ घर्षण गुणांक ग्रेफाइट को धारण करने वाले बांधने की मशीन की प्रकृति से संबंधित है।
निष्कर्ष
कोटिंग्स के साथ ये प्रयोग उन ठोस स्नेहन सामग्रियों के एंटी-फ्रिक्शन और एंटी-स्कफिंग गुणों का अध्ययन करने के लिए उन पर कोई तरल लुब्रिकेटिंग सामग्री लगाए बिना किए गए थे जो उच्च-शक्ति वाले डीजल पिस्टन स्कर्ट की रक्षा के लिए उपयोग किए जाते हैं जिनके लिए सीमा और शुष्क घर्षण दोनों के अल्पकालिक मोड विशिष्ट हैं।
शोध परिणामों के अनुसार, यह साबित हो गया है कि एंटी-फ्रिक्शन कोटिंग्स का उपयोग घर्षण को काफी कम करने और सीज़र लोड को बढ़ाने में सक्षम बनाता है।
MODENGY For the ICE Parts, और MODENGY 1006 घर्षण हानि को 5 गुना कम करने और उच्च-शक्ति वाले इंजन के सेवा जीवन को बढ़ाने में सक्षम बनाते हैं।
आगे, सिलेंडर-टू-पिस्टन ट्राइबोलॉजिकल संयोजन के अध्ययन के उद्देश्य से, ट्राइबोलॉजिकल विशेषताओं के अनुसंधान और भागों की घर्षण सतहों के घिसाव की तीव्रता के मूल्यांकन के लिए उन्मुख कई प्रयोग करना आवश्यक है।
इसके अलावा, विभिन्न रियोलॉजिकल गुणों वाले मोटर तेलों के संपर्क में कोटिंग्स से ढके नमूनों की परिचालन स्थितियों का अध्ययन करना आवश्यक है।
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