Избирательный перенос. Явление безызносности

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ МЕТОДОМ ИЗБИРАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА

В начальной стадии трения основную роль в механизме избирательного переноса (ИП) играют три эффекта [8,9]: эффект избирательного растворения, эффект Ребиндера и эффект Киркендала.

Эффект избирательного растворения – это электрохимический процесс растворения анодных компонентов поверхностно-активными веществами смазки в тонком поверхностном слое металла при трении, активированный и ускоренный деформацией этого слоя. Особенность состоит в том, что без трения такое растворение с помощью поверхностно-активных веществ происходило бы намного медленнее. Избирательное растворение анодных компонентов сплава в зависимости от их процентного содержания приводит к большему или меньшему снижению прочности поверхностного слоя или даже к полному его разрушению.

Особенностью избирательного переноса является адсорбция молекул поверхностно-активного вещества в момент его образования на поверхности при растворении легирующих элементов, происходящего в результате хемосорбции. Как известно, адсорбционное действие поверхностно-активных веществ распространяется лишь на 2-3 параметра решетки. Благодаря избирательному растворению анодного компонента поверхностно-активное вещество может проникать в глубь слоя до одного микрона.

В начальной стадии трения из-за деформации и нагрева значительно возрастает скорость диффузии в поверхностном слое. У поверхности атомы легирующего компонента вступают в химическую связь. Чем интенсивнее нагрузка, нагрев и деформация при трении, тем на большую глубину протекает процесс. Таким образом, все три эффекта оказываются взаимосвязанными в начальном периоде трения, когда идет образование сервовитной пленки, и являются в значительной степени следствием механического стимулирования трением. Как только толщина образующейся пленки достигнет такого значения, что деформирование и нагрев основного материала сильно уменьшатся, снизится и скорость физико-химических процессов и наступит пассивация. Это способствует устойчивости режима трения.

Начальная стадия трения создает условия, в которых может осуществиться эффект безызносности. Основные составляющие эффекта:

- отсутствие образования окисных пленок на поверхности и, следовательно, их износа;

- пластифицирование поверхностного слоя, приводящее к снижению удельных нагрузок, снижению уровня накопления дефектов из-за свободного их выхода на поверхность, что позволяет локализовать деформацию сдвига в тонком слое;

- понижение поверхностной энергии, приводящее к возникновению коллоидной смазки в зазоре;

- удержание электрически заряженных коллоидных частиц в зазоре силами электрического поля, обеспечивающими отсутствие уноса их из зазора.

Износостойкость в режиме избирательного переноса зависит от факторов, связанных с упомянутыми вначале тремя эффектами и особенностями формирования сервовитного слоя, а также от состава сплава и условий нагружения, в том числе:

- количества и свойств компонентов, определяющих количество и прочность материала, остающегося после избирательного растворения, из которого образуется пленка;

- стехиометричности сплава. При стехиометрическом соотношении между компонентами могут возникать интерметаллические связи, образующие защитный барьер, препятствующий избирательному растворению;

- удельного давления, скорости скольжения и температуры, обусловливающих степень проявления эффекта Киркендала в зоне трения.

Активация поверхности и трибодеструкция смазочного материала. Одним из определяющих факторов начальной стадии ИП является необычно большая скорость протекания коррозионного процесса [9], а затем его полное прекращение. В отличие от химических в электрохимических процессах окислительная и восстановительная стадии протекают раздельно, с участием металлической поверхности, которая или принимает, или отдает электроны реагирующим частицам.

Для возбуждения поверхностных реакций между смазочным материалом и металлом необходима активация процесса. К числу факторов, инициирующих сложные физико-химические явления на контакте при деформации и перемещении, относят:

- термодинамическую нестабильность смазки и металла;

- давление и нагрев;

- скорость перемещения, влияющую через перемешивание и столкновение частиц на поверхности трения;

- каталитическое действие окисных пленок и металла на смазочный материал;

- трибодеструкцию – разрыв молекул, носящий как гомеополярный, так и гетерополярный;

- электризацию, способствующую притяжению частиц с разными зарядами, а также создающую двойной электрический слой;

- образование различных дефектов в структуре металла.

Трибодеструкция смазочного материала в самом начале трения вызывает ряд полезных процессов. Она поставляет активные части разрушенных молекул, необходимые для начала цепи превращений. Поэтому для ИП применяют смазочные материалы, которые или сравнительно легко распадаются, или содержат инициирующие распад добавки.

Процесс трибодеструкции смазочного материала протекает в условиях активации поверхности трением, связанной с многообразием как внешних конструкционно-кинематических условий трения, так и различных механо-, электро- и термохимических факторов в зоне контакта: каталитического действия металла и др. Возникающие в этих условиях высокоактивные частицы выполняют различные функции, в том числе: образуют химические соединения с поверхностными атомами металла и, десорбируясь, оставляют вакансии в металле, которые под действием диффузии распространяются вглубь; образуют комплексные соединения с поверхностными атомами металла, создавая защитный хемосорбционный слой.

Активация компонентов будущих соединений в начальном этапе приводит в процессе их взаимодействия к максимальному выделению свободной энергии и образованию устойчивых конечных соединений, предназначенных для длительной работы в зоне трения.

Избирательное растворение. В отличие от коррозионных процессов, протекающих в статических условиях, избирательное растворение при трении имеет ряд особенностей:

- смазочный материал становится электропроводным в результате трибодеструкции и окисления;

- развитие процесса избирательного растворения происходит ступенями от микроэлементов к макроэлементам, по мере увеличения электропроводности среды;

- процесс растворения ускоряется трением на несколько порядков, что обусловливает его равномерность по поверхности;

- растворение идет в восстановительной среде, продукты окисления (окислы и гидроокислы), сопутствующие коррозии, отсутствуют;

- трение интенсифицирует диффузионные процессы, что обусловливает влияние растворения на некоторую глубину поверхностного слоя.

Процессы анодного растворения металлов в большинстве случаев являются более сложными, чем простой электрохимический переход иона металла из кристаллической решетки в раствор. Для растворения требуется не только сольватация иона, но в ряде случаев также предварительная химическая адсорбция аниона из раствора с образованием переходного, а затем устойчивого комплекса.

Пассивация — автоматически наступающий процесс, который обусловливает окончание избирательного растворения, начало работы пленки и защиту основного металла от деформирования. Коррозионная стойкость сплавов определяется не только термодинамической стабильностью, но, как известно, в большей степени кинетикой процесса, связанной с электрохимической поляризацией. В режиме ИП коррозионный процесс тормозится, в основном, сервовитной и серфинг-пленками, т. е. в результате увеличения омического сопротивления прохождению ионов и торможения диффузионного характера. В этом случае защитные пленки выполняют двойную защитную службу.

Явление пассивации – это одно из основ ИП. Механизм пассивации [10] следующий: на пассивируемой поверхности происходят разряд и выделение катиона электроположительного металла, который добавлен в смазочную среду, по реакции Меⁿ⁺+nе®nМе. Выделившийся на поверхности электроположительный металл, являющийся эффективным катодом, может существенно сместить общий потенциал системы в положи тельную сторону. При уплотнении и активации этой пленки трением потенциал достигает потенциала пассивации, а пленка – хорошего контакта с подложкой.

Понижение свободной энергии. Смазочный материал и металл при нормальных условиях термодинамически нестабильны. Происходящая в начальной стадии трения трибодеструкция смазочного материала и образование металлоорганических соединений являются весьма нежелательными с позиций граничной смазки. Металлоорганические соединения катализируют окисление углеводородов. Несмотря на тщательную очистку масел, они окисляются и этим усиливают износ в результате коррозионного действия в сочетании с собственно изнашиванием.

Если в условиях граничной смазки окисленный смазочный материал становится неприемлемым, то для режима ИП, наоборот, применяют смазочные материалы, которые сравнительно легко вступают в реакцию окисления или содержат инициирующие окисление добавки. В начальной стадии ИП интенсивно протекают химические реакции окисления между активными компонентами смазочного материала и сплава (металла), в результате которых происходит понижение свободной энергии системы. Видоизмененные материалы не только становятся стабильнее, но и к началу установившегося режима трения приобретают более ценные смазочные свойства, чем исходные. В результате реакций образуются трибо-ПАВ, обладающие высокой смазочной способностью и большим ресурсом работы, а поверхности трения покрываются медной пленкой, защищающей от контакта основные поверхности.

Дата добавления: 2015-05-06