Физико-химические основы снижения износа и трения

Системы снижения износа и трения (далее СИТ) представляют собой физико-химические явления, возникающие в зоне контакта трущихся поверхностей при самоорганизации системы ИП. Различают [9] системы защиты от износа основного металла пары трения и от износа сервовитной пленки (защищая основной металл, она сама нуждается в защите) (рис.3.1).

На практике в узлах трения могут сочетаться разные системы СИТ и соответственно может варьироваться их способность снижать износ и трение.

Система снижения адгезии. Адгезионное взаимодействие твердых тел при трении разнообразно по своему проявлению. Взаимодействия делят по типу связи — ионное, ковалентное, металлическое и вандерваальсово. Такое деление является упрощенным, и чаще всего химические связи имеют промежуточный характер.

Рис. 3.1. Схема системы снижения износа и трения

В условиях трения адгезионное взаимодействие почти всегда происходит с участием среды, снижающей его в результате экранирования электромагнитного поля самопроизвольно адсорбированными пленками воздуха, окислов, смазочного материала и т.п. Вначале проходят самые сильные взаимодействия, например металла с кислородом, затем окисной пленки с водой, воздухом, смазочным материалом.

ИП характеризуется протеканием химических процессов трибодеструкции смазочного материала, образованием ПАВ, сервовитной пленки и коллоидных частиц, которые вносят свой вклад в снижение адгезии. Избирательное растворение выступов на бронзе, и заполнение впадин шероховатости на стали приводит к увеличению площади фактического контакта на один-два порядка. Трение в режиме ИП снижается на один порядок по сравнению с граничной смазкой в аналогичных условиях, что обусловлено уменьшением адгезионного взаимодействия благодаря: внедрению радикалов и ионов в поверхностные слои решетки металла; хемосорбционным процессами; образованию сервовидной пленки; образованию коллоидных частиц, обладающих зарядом; образованию полимерной пленки.

Система снижения механической составляющей силы трения. В условиях граничной смазки в начальный период происходит приработка поверхностей и устанавливается «равновесная» шероховатость поверхностей, остающаяся на весь период службы деталей. Взаимное внедрение выступов шероховатости при относительном скольжении создает механическую составляющую сил трения.

В режиме ИП поверхности трения самопроизвольно приобретают высокую гладкость благодаря растворению выступов шероховатости на бронзе и заполнению пленкой впадин между выступам на стали. Большие площади контакта и вследствие этого низкие давления почти исключают взаимное внедрение. Растворение выступов шероховатости обусловливается возникающими на их вершинах напряжениям. Оптимальной исходной шероховатости поверхности стали является Ra=0,32...0,16 мкм. При грубых поверхностях (ниже Rz=20 мкм) может происходить намазывание бронзы на сталь.

Система снижения давлений. Проблема снижения удельной нагрузки в условиях граничной смазки является трудной, так как ввиду очень малой площади фактического контакта давления даже при весьма низких нагрузках близки к давлениям пластического деформирования шероховатостей поверхности. В режиме ИП эта трудность преодолевается путем растворения выступов шероховатости и создания на поверхности смазывающей сервовитной пленки. Одновременно с образованием сервовитной пленки идет ее перенос на сопряженную стальную поверхность, где она, заполняя углубления между выступами шероховатости, выравнивает профиль поверхности и снижает давления. Когда площади фактического контакта разрастутся до размеров, близких к размерам номинальной поверхности, и давления резко снизятся, диспергирование и избирательное растворение прекратится и трение будет осуществляться уже между сервовитной пленкой, содержащей ПАВ, смазочный материал и мицеллы.

Система компенсации диспергирования. Если в условиях граничной смазки электрические явления почти не используются, то в условиях ИП они могут играть существенную роль для защиты от износа и уменьшении трения. При переходе ИП к установившемуся режиму на границе между смазочным материалом и сервовитной или металлоплакирующей пленкой имеется двойной электрический слой (ДЭС).

В зазоре между трущимися поверхностями почти всегда имеется электрическое поле, которое обусловливает электрокинетические явления, способствуют уменьшению трения и износа путем отложения на участке фактического контакта ионов, коллоидных частиц катодного металла, находящихся в смазочном материале в поле ДЭС. Сюда же относится осаждение частиц меди в зоне фрикционного контакта, переносимых в агрегатах холодильников потоком фреона из мест слабого коррозионного растворения материала медных трубок системы охлаждения.

В практике существуют условия, которые отражаются на эффективности системы использования электрических явлений для уменьшения износа и трения. Примером являются подшипники, смазывающиеся морской водой, со вставками для дополнительной смазки на основе пластмассы, содержащей адсорбционно-активные молекулы.

Система предотвращения окисления металла при трении. Трение вызывает повышение температуры в зоне контакта и активирует реакцию окисления металла. При граничной смазке изнашивается главным образом окисная пленка, которая предохраняет детали от схватывания. Схватывание характерно только для металлов, оно сопровождается объединением кристаллических решеток сопряженных поверхностей на участках контакта. В тяжелых по нагрузке режимах трения наблюдается повышенный износ из-за разрушения окисных пленок и развития локального схватывания.

В режиме ИП функцию защиты от окисления и схватывания несут плотные слои адсорбированного ПАВ. Эти слои переходят на катодную поверхность, блокируют ее, не допуская к ней молекулы кислорода. Для защиты применяют смазывающие устройства, снабжающие поверхность пленки органическими соединениями.

Система образования защитной полимерной пленки. Граничная смазка минеральными маслами не обеспечивает необходимую защиту от износа. Введение специальных противоизносных, например, антиокислительных, присадок экономит расход масел и повышает долговечность машин. Присадки могут быть на основе металлоорганических соединений. Примером может быть смазочный материал, содержащий компоненты полимеризующихся на контакте веществ.

Маслорастворимые добавки, например смесь метилового эфира многоосновной кислоты и полиаминов, дающая полиамидный полимер трения, эффективно снижают заедание. Возникающие в процессе деструкции при трении свободные радикалы органических веществ могут образовывать полимерные цепи, прикрепляющиеся активным концом к металлической подложке, и создавать таким образом полимерные образования.

Защита от водорода. Концентрация водорода в тонком поверхностном слое стали в процессе трения деталей машин является самоорганизующимся процессом [11]. Водород выделяется из смазочного материала, влаги, пластмассы и других материалов и сред в результате каталитических процессов на контакте. Дополнительным источником является водород, содержащийся в стали со времени ее выплавки. Причиной отрицательного поведения водорода является его особое взаимодействие с атомной решеткой стали: он устремляется в сжатую напряженную и нагретую зону стали, где концентрация его может быть во много раз выше, чем в холодной и ненапряженной зоне. Располагаясь в дефектах (устьях зародышей трещин), водород облегчает их развитие адсорбционным действием [11,12]. Скорость изнашивания в результате наводороживания может возрастать в 20...30 раз.

Так как в режиме ИП шероховатость поверхности стали не имеет значения для трения, а нагрузки и температура распределены равномерно, склонность к самопроизвольному наводороживанию в этом режиме по сравнению с трением при граничной смазке выражена незначительно. Основным препятствием к проникновению водорода является сервовитная пленка, состоящая почти из чистой меди. Медь, как известно, во много раз меньше, чем сталь, поглощает водород. По существу влияние водорода является слабым местом лишь при граничной смазке. Однако в режиме ИП для каждого смазочного материала существует температурный предел, превышение которого может резко усилить выделение водорода.

Дата добавления: 2015-05-06