Тертя при граничному змащуванні

При граничному змащуванні поверхнi спряжених тiл роздiленi шаром змащувального матерiалу дуже малої товщини (вiд товщини однiї молекули до 0,1 мкм). Наявнiсть граничного шару чи граничної плiвки зменшує силу тертя в порiвняннi з тертям без мастила в 2...10 разiв і зношення спряжених поверхонь в сотнi разiв.

Всi мастила здатнi адсорбовуватися на металiчнiй поверхнi. Мiцнiсть плiвки залежить вiд наявностi в нiй активних молекул, їх якостi i кількостi. Хоча мiнеральнi змащувальні масла є механiчною сумiшшю неактивних вуглеводiв, вони, за виключенням надто чистих масел, якi не були в роботi, завжди мають включення органiчних кислот, смол та iнших поверхнево-активних речовин. Жирнi кислоти входять до складу масел рослинно-тваринного походження, а також в склад пластичних мастильних матерiалiв. Тому майже всi змащувальні масла утворюють на металiчних поверхнях граничну фазу кристалiчної структури товщиною до 0,1 мкм, що має бiльш або менш мiцний зв'язок з поверхневою та повздовжньою когезiєю. При наявностi вiдносно товстого маслянистого прошарку мiж поверхнями тертя перехiд вiд орiєнтованої структури масла до не орiєнтованої здiйснюється стрибком.

Молекули змащувального матерiалу орiєнтуються перпендикулярно до твердої поверхнi, що дозволяє уявити граничну плiвку у виглядi ворсу (рис. 8.1).

Рис.8.1 Схеми ковзання тiл при граничному зношуваннi: а - змащування iдеальних поверхонь; б - контактування реальних поверхонь; А - дiлянки, якi сприймають навантаження; Б - дiлянки безпосереднього контакту або контактування при твердих плiвках.

При взаємному перемiщенi поверхонь тертя "ворсинки" як би згинаються в протилежнi сторони. Насправдi ж вiдбувається зсув з перекосом квазикриста-лiчної структури плiвки. Опiр її ковзанню в такому станi трохи пiдвищений. На вiдновлення орiєнтації молеукул в попереднє положення перпендикулярно поверхнi тiл потрібно деякий промiжок часу, iнколи дуже великий.

Змащувальний матерiал в граничному шарi анiзотропний, в танген-цiальному напрямку молекулярнi шари легко згинаються i при товщинi шару бiльше деякої критичної величини ковзають один по одному; по нормалi до твердої поверхнi плiвка має високий опір зтисненню; її несуча здатнiсть обчислюється десятками тисяч кiлограмiв на 1 см2. Деформацiя стиску плiвки в дуже високому iнтервалi не виходить за межі рухомості.

Механiзм тертя при граничному змащуваннi представляється у наступно-му виглядi. Пiд навантаженням проходять пружна i пластична деформації на площинах контакту, пiд якими треба розумiти ділянки найбiльш близького прилягання поверхонь, якi покритi граничною плiвкою мастила, аж до мономолекулярного шару. На площинах контакту може виникнути взаємне втiлення поверхнi без порушення цiлосностi плiвки мастила. Опiр руху тiл при ковзаннi складається з опору зсуву граничного шару i опору "проорюванню" поверхонь об'ємами, якi втiлились. Крiм того, на площадках контакту, якi пiддаються найбiльш значнiй пластичнiй деформації, i в точках з високими мiсцевими температурами може виникнути руйнування змащуваль-ної плiвки з настанням адгезії оголених поверхонь i навiть схоплення металiв на мiкродiлянках Б (рис. 8.1). Це викликає додатковий опiр руху.

Завдяки рухомостi молекул змащувального матерiалу на поверхнi тертя проходить з великою швидкiстю адсорбцiя, що надає мастильнiй плiвцi властивостей "самозалiковуватися" при мiсцевих її пошкодженнях. Ця здат-нiсть відіграє велику роль в попередженнi лавинного процесу схоплювання.

Гранична плiвка, яка не вiдновлюється, в мiру зростання шляху тертя зношується, мастило з плiвки адсорбується на продукти зношування i виноситься з поверхнi тертя; проходить сублiмацiя плiвки як твердого тiла і видалення мастила в атмосферу. Окислення плiви сприяє дезорiєнтації структури i руйнуванню її.

В'язкiсть мастила не впливає на процес граничного змащування. Мастила з одинаковою в'язкiстю, але рiзних марок, мають рiзноманiтну змащувальну дiю. Для оцiнки поведiнки мастил при граничному змащуваннi ще в 1903 роцi було введено поняття маслянистостi i запропонованi рiзноманiтнi формулювання цього поняття. Маслянистiсть - це комплекс властивостей, якi забезпечують ефективне граничне змащування. Маслянистiсть оцiнюється в основному по коефiцiєнту тертя: чим вiн менший, тим вища маслянистiсть. Робляться спроби кiлькiсно оцiнити ії. Маслянистiсть характеризує дiю змащувального матерiалу при застосуваннi до даного сполучення матерiалiв, що труться.

В 1969 роцi Б.В.Дерягiн, Н.М.Снiдковський i А.Б.Ляшенко висунули гiпотезу про те, що молекули змащувального матерiалу в граничному шарi згрупованi в домени. Домен олеїнової кислоти в граничному шарi мiстить близько 1400 молекул. Домени формуються електромагнiтними силами i нiби копiюють кристалiчну будову пiдложки. Встановлено, що граничнi шари мають властивостi напiвпровiдникового елемента.

Добавлення в граничнi шари мастила i водяних розчинiв поверхнево-активних речовин збiльшує товщину граничного шару i сприяє зменшенню зношування (до двох разiв).

При тертi з граничним змащуванням зношування деталей машин велике. Через хвилястiсть i шорсткiсть поверхонь їх контактування відбувається на дуже малих дiлянках тертя; контактнi тиски мають високі значення, i тонка гранична плiвка мастила не оберiгає поверхнi вiд пластичної деформації, що неминуче приводить до зношування деталей. Це є дуже серйозним недолiком граничного змащування.

Ефективнiсть змащування крiм фактора адсорбції, залежить вiд хiмiчної взаємодії мастила i металу: жирнi кислоти, вступаючи в реакцiю з поверхнею металу, утворюють мила, тобто металiчнi солi жирних кислот, здатнi внаслiдок властивої їм високої когезії витримувати без руйнування значнi деформації. Хiмiчним явищам належить важлива роль органiзації змащувальної дії. Це пiдтверджує та обставина, що iнертнi метали i скло погано змащуються.

В зв'язку з невисокою термiчною стiйкiстю граничної плiвки, яка утворю-ється на металевих поверхнях звичайними мiнеральними мастилами, деколи вдаються до штучного пiдвищення її хiмiчної активностi. Цього досягають шляхом введення в мастило спецiальних добавок (присадок), якi мiстять органiчнi з'єднання сiрки, фосфору, хлору, миш'яку або сполучення цих елементiв. Хоча цi присадки i мiцно адсорбуються на поверхнях тертя, однак їм вiдводиться в процесi тертя iнша роль. В умовах високих температур, якi досягаються на мiкроконтактах, активне з'єднання присадок розкладається i, взаємодiючи з металiчними поверхнями, утворює плiвки сульфiду залiза, фосфору або фосфату залiза, хлористого залiза i окислених хлоридiв i т.п. Утворені плiвки запобiгають металiчному контакту, зменшують опiр тертю, запобiгають подальшому локальному пiдвищенню температури. Плiвка чинить слабкий опiр зрiзу, спрацьовується i вiдновлюється заново.

Плiвка, утворена на поверхнi сталi хлорованими вуглеводами, працездат-на до температури 300...400(С, вище якої відбувається плавлення і розклад. В сульфiдiв температура плавлення вища, i змащувальна здатнiсть зберiгається до температури 800(С. Нижче критичної температури плiвки ведуть себе як твердi змащувальні матерiали.

Очевидно, дiя присадок неефективна, якщо матерiал не вступає в реакцiю з активною частиною присадки. Наприклад, платина i срiбло не вступають в реакцiю з сiркою.

Деякi твердi тiла можуть виробляти змащувальну дiю, органiзовуючи i пiдтримуючи режими тертя при граничному змащуваннi. З викладеного раніше випливає, що гранична плiвка повинна мати високий опір стисканню i низький опір зрiзу. Виходячи з таких вимог, до твердих змащувальних матерiалiв можна вiднести деякi тiла шаруватої і пластинчастої структури, м'якi метали i тонкi плiвки пластичних матеріалів.

З матеріалів шаруватої структури властивості необхiдні для змащування металевих поверхонь, мають графiт, молiбденiт (дисульфiд молiбдену МоS2), сульфiд срiбла, пористий свинець, дисульфiд вольфраму та інші.

Окрiм тiл із шаруватою структурою всi твердi змащувальні матерiали утворюють граничний шар з необхiдними якостями для опору стиску i зсуву (зрiзу), але який не має суворо орiєнтованої структури. Твердими мастилами можуть бути також м'якi метали, якi мають низький опiр зрiзу в корисному дiапазонi температур. Для змащування використовують твердi плiвки свинцю, олова i iндiю.

Механiзм дії тонких металiчних плiвок, якi нанесенi на тверду основу, по Ф.П.Боудену такий: навантаження сприймається через плiвку, яка має достатню мiцнiсть проти витискування, оберігає поверхнi, що труться, вiд безпосереднього контактування i взаємного втiлення. При вiдносному перемiщеннi поверхонь відбувається зрiз в м'якому металi. Оскiльки опiр зрiзу невеликий, а площа фактичного контакту завдяки твердiй пiдкладцi мала, то і опiр тертю також малий. Плiвка, нанесена на м'яку пiдкладку, що значно деформується пiд навантаженням, вступає в контакт з спряженою поверхнею на бiльшiй площинi, що збiльшує силу тертя. Тому нанесення плiвок м'яких металiв, наприклад, на олов'яний бабiт неефективне; бiльш доцiльно застосувати їх на свинцевистiй бронзi i на мiдних сплавах.

З м'яких металiв в якостi твердих мастил можна використовувати тiльки тi, якi не наклепуються в межах робочих температур i не утворюють крихких твердих розчинiв з металами спряжених тiл. Щоб метал не наклепувався, його робоча температура повинна бути вища температури рекресталiзації. В олова, свинцю i iндiю температура рекресталiзації нища нормальної. Разом з тим олово, яке добре працює як твердий змащувальний матерiал (наприклад, мiж чавунними поверхнями), не придатне для нанесення на свинцевисту бронзу, так як вона дифундує з поверхнi мiдну основу бронзи, утворюючи твердi кристали, якi викришуються з робочої поверхнi. Iндiй хоч при нагрiваннi i дифундує в бронзу, з'єднуючись із свинцем, не утворюють крихких з'єднань.

Нанесенi твердi плiвки при багаторазових взаємних перемiщеннях поверхонь швидко зношуються. Внаслiдок цього їх використовують в якостi покриття для припрацювання, а при одноразовому контактуваннi поверхонь - при глибокiй витяжцi металу.

Деякi матерiали внаслiдок звичайного металургiйного процесу або штучного насичення мiстять речовини, здатнi служити твердим мастилом, наприклад, на припрацьованiй поверхнi конструкцiйного чавуну графiт розмазується, утворюючи граничний шар. Такий самий шар утворюється на поверхнi металу з пористих антифрикцiйних матерiалiв, насичених мiнераль-ними маслами, графiту i дисульфiду молiбдену. В бiльш широкому поняттi граничним змащувальним матерiалом служить також полiтетрафторетилен, коли ним насичують пористi пiдшипниковi матерiали. В свинцевистiй бронзi, на твердiй мiднiй основi, в який вкраплений свинець, останнiй при ковзаннi розмазується по поверхнi, покриваючи її тонкою плiвкою. Ця плiвка по мiрi зношування сплаву вiдновлюється. Дорiжки кочення i тiла кочення пiдшип-ника, що працюють при температурах вище 300(С, покривають iнколи срiблом для попередження окислення i для використання в якостi змащувального матерiалу.

Помилково думати, що сила тертя збiльшується за рахунок зношення. Звичайно цього не вiдбувається. Якщо iз збiльшуванням зношування коефiцi-єнт тертя пiдвищується, то це результат вторинних явищ, що визвані змiною шорсткостi поверхнi.

Дата добавления: 2013-12-14