Влияние окисных, адсорбционных и других

Поверхностных пленок на трение твердых тел

При трении твердых тел наблюдается большая зависимость трения от малейших изменений в их поверхностных слоях. Причиной этого является наличие свободных ненасыщенных связей поверхностных атомов твердых тел, способных взаимодействовать с любыми атомами и молекулами, находящимися вблизи поверхностей трения. Следствием такого взаимодействия поверхностей трения с прилегающими к ним атомами других веществ является тот факт, что трение ювенильных поверхностей при обычных атмосферных условиях не осуществляется.

Экспериментами в тщательно контролируемых условиях было показано, что коэффициент трения на свежесколотых поверхностях каменной соли находится в прямой связи с продолжительностью пребывания образцов на воздухе. Было также установлено, что коэффициент трения в данном случае может быть уменьшен, если проводить эксперименты в предварительно очищенном от посторонних загрязнений воздухе (рис. 5.16).

Исследования Боудена, изучавшего влияние паров воды на величину трения свежеочищенных поверхностей железа, показали, что молекулы воды, попадая на поверхность металла, способны взаимодействовать с поверхностью трения, проявляя при этом как прочие химические связи, так и связи, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса. Появление следов воды на поверхности очищенного металла приводит к уменьшению коэффициента трения.

Рис. 5.16. Уровни трения на свежесколотой поверхности кристалла каменной соли в зависимости от продолжительности его пребывания на воздухе: 1 - в среде очищенного воздуха; 2 - в среде обычного воздуха

Вода, вступившая с поверхностью металла в химическую связь, давала необратимое снижение коэффициента трения до определенного уровня. Физически адсорбированная вода на таких поверхностях трения также приводила к снижению величины коэффициента трения, однако после ее удаления коэффициент трения тотчас же поднимался до уровня, характерного для железа с хемосорбированной водой (рис. 5.17).

Было также установлено, что кислород, попавший на свежеочищенную поверхность металла, мгновенно образовывает на ней окисные пленки, приводящие к уменьшению величины коэффициента трения между металлическими телами (рис. 5.18). Наибольшее снижение величины коэффициента трения наблюдается при незначительных толщинах окисных пленок (рис. 5.19). Однако, по мере роста толщины окисной пленки, когда она уже начинает проявлять свои специфические структурные особенности, вновь наблюдается некоторое возрастание коэффициента трения (табл.5.1).

Кемпбелом было показано (рис. 5.20), что на снижение трения между металлическими телами оказывает влияние состав оксидной пленки (сульфидная пленка или оксидная), а также и то, что металлические мыла, образованные на таких поверхностях в присутствии смазки, дают большее снижение коэффициента трения на них, чем смазка на неокисленных поверхностях трения (табл. 5.2).

Рис. 5.17. Влияние паров воды на трение чистых поверхностей железа: 1 - выдержка в водяных парах в течение 10 с; 2- выдержка 10 мин; 3 - вымораживание водяных паров; 4 - повторное вымораживание

Рис. 5.18. Влияние количества кислорода на коэффициент трения предварительно очищенных поверхностей железа (опыты в условиях вакуума) при давлении кислорода: 1 – 10...4 мм рт.ст.; 2 – 10 мм рт.ст.; 3 - несколько мм рт.ст.; 4 - несколько мм.рт.ст. через 15 ч

Рис. 5.19. Зависимость коэффициента трения от толщины окисной

пленки на поверхности металла

Таблица 5.1

Зависимость трения от свойств оксидов металла

Оксид	Толщина пленки, мкм	Коэффициент трения
Диоксид меди	0,75	0,79
Диоксид меди	2,0	0,97
Оксид меди	7	0,90
Оксид меди	12	0,97

Рис. 5.20. Влияние оксидных пленок на коэффициент трения:

1 - латунь-латунь, сульфидная пленка; 2 - сталь-сталь, оксидная пленка;

3 - сталь-сталь, оксидная пленка со смазкой; 4 – сталь, сульфидная

пленка со смазкой; А - те же материалы без оксидных пленок

Оксидные пленки обычно очень прочно удерживаются на поверхности металла и в атмосферных условиях обладают способностью быстро восстанавливаться. Удалять оксидные пленки с металлических поверхностей удается путем испарения или же посредством механического их истирания в условиях вакуума. После удаления оксидных пленок с поверхностей трения величина коэффициента трения на них вновь повышается до того уровня, который предшествовал появлению оксидных пленок на этих поверхностях (рис. 5.21).

Таблица 5.2

Влияние оксидных пленок на величину коэффициента трения

твердых тел

Пара трущихся поверхностей	Тип пленки	Коэффициент трения
Пара трущихся поверхностей	Тип пленки	чистая поверхность	поверхность с пленкой
Сталь - сталь	Оксидная	0,78	0,27
Сталь - сталь	Сульфидная	0,78	0,39
Латунь - латунь	Сульфидная	0,88	0,57
Медь - медь	Сульфидная	1,21	0,74
Медь - медь	Оксидная	1,21	0,76
Сталь - сталь	Олеиновая кислота	0,78	0,11
Сталь - сталь	Смазка	0,78	0,32
Сталь - сталь	Оксидная и смазка	0,78	0,19

Рис. 5.21. Изменение коэффициента трения по мере изнашивания пленки на поверхности металла в зависимости от количества пробегов N по одному и тому же месту: а -1 - оксидная пленка металла; 2 - в 200 раз более тонкая пленка стеариновой кислоты; б - на поверхности металла нанесены монослои стеариновой кислоты

Исследованиями Гарди было установлено, что на поверхностях трения стали и стекла при тщательной их очистке можно получать высокие и воспроизводимые величины коэффициентов трения. Было показано, что на снижение трения между телами существенное влияние могут оказывать и летучие органические вещества, попавшие на поверхности трения тел. Так, в опытах с каплей уксусной кислоты, помещенной вблизи трущихся тел, Гарди наблюдал снижение величины коэффициента трения между телами с 0,92 до 0,47.

В.П.Лазаревым при исследовании вопроса о влиянии толщины смазочного слоя (стеарата кальция) на величину коэффициента трения между телами было показано, что решающую роль в снижении коэффициента трения между телами играет один монослой смазочного вещества. Дальнейшее же увеличение толщины смазочной прослойки до 61 монослоя стеарата кальция не оказывало влияния на величину коэффициента трения между исследуемыми телами (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Зависимость величины коэффициента трения от силы прилипания

и количества слоев стеарата кальция

Количество слоев	Коэффициент трения	Сила прилипания
1	0,34	805
3	0,34	617
21	0,34	377
31	0,34	377
61	0,34	377

Таким образом, можно заключить, что коэффициент трения между твердыми телами зависит от малейших загрязнений поверхностей трения и изменения свойств этих загрязнений.

В отличие от жидкостного трения, где смазочный эффект проявляется за счет внутреннего трения жидкости, разделяющей трущиеся тела, и от ее вязкости, при граничном трении основное значение приобретает уже не вязкость смазки, а ее химическая активность и способность к проявлению адсорбционного эффекта. В этом случае структура граничных слоев трущихся тел характеризуется как состоянием твердой поверхности, так и физико-химическими свойствами поверхностного слоя.

Впервые гипотеза об ориентации молекул органических веществ на поверхности раздела фаз была выдвинута Лангмюром и подтверждена экспериментами Трийя, показавшими, что полимолекулярный адсорбционный слой состоит из ряда слоев, способных скользить один по другому, а в дальнейшем была развита Гарди. В основу этих представлений были положены силы Ван-дер-Ваальса. Рассматривая гомологические ряды парафинов, жирных кислот и спиртов, Гарди обнаружил, что статическое трение с увеличением молекулярного веса уменьшается.

Дальнейшее развитие теории о строении и свойствах граничных слоев жирных кислот смазки получило в работах А.С.Ахматова. Он рассматривал ориентированные на поверхностях твердых тел молекулярные слои органических веществ как моно- или поликристаллические тела, упругость которых возрастает с увеличением прилагаемого к ним давления. В этих условиях за счет зародышевой функции первичного слоя при толщинах пленок 0,05...1 мкм и менее скольжение между молекулярными слоями прекращается. Для объяснения свойств тонких слоев смазки Б.В.Дерягин ввел понятие маслянистости и эффекта расклинивающего действия тонких граничных пленок.

Жидкие пленки органических веществ, расположенные на поверхности твердого тела, испытывают воздействие его силового поля и адсорбционных слоев. Разработанная Б.В.Дерягиным теория "метода сдувания" как инструмента для исследования механических и термодинамических свойств граничных слоев жидкости, и тонкие измерения, выполненные им совместно с В.В.Карасевым, позволили обнаружить отличительные граничные свойства жидкости вблизи границы раздела твердой фазы. Было установлено, что исследуемые ими жидкости могут обладать вблизи поверхности твердого тела как повышенной вязкостью (например, в пленке сибациноамилового эфира), так и пониженной (фталиводибутилового эфира).

Г.И.Измайловой и Б.В.Дерягиным (рис. 5.22) было показано, что при адсорбции поверхностно-активных веществ на поверхности твердых тел меняется величина трения в зависимости от ориентации молекул в адсорбционном слое. При горизонтальной (по отношению к подложке) ориентации молекул наблюдается наименьшее трение. С возрастанием количества молекул поверхностно-активных веществ в адсорбционном слое (при изменении ориентации их молекул от горизонтальной к вертикальной) в случае наибольшей их неупорядоченности наблюдается наибольшее трение. При последующем увеличении количества молекул адсорбционный слой приобретает преимущественно вертикальную ориентацию - трение уменьшается и с последующим увеличением количества молекул оно не меняется.

Рис. 5.22. Зависимость коэффициента трения от концентрации и

характера ориентации поверхностно-активных молекул смазки на

поверхности трения

Г.И.Фукс, исследуя влияние поверхностно-активных присадок на смазочную способность масел, установил, что граничные свойства таких жидкостей проявляются уже при толщинах слоя 0,3...0,4 мкм. При больших толщинах слоя смазка ведет себя как обычная вязкая жидкость.

Боуден и Тейбор показали, что теория Гарди о влиянии на трение чисто физической адсорбции жирных кислот справедлива лишь для трения, осуществляемого при небольших давлениях и скоростях скольжения тел. При более тяжелых режимах трения (и температурах) происходят также и процессы хемосорбции с образованием на поверхностях трения металлических мыл.

Исследуя фрикционные свойства нефтяных масел, Г.В.Виноградов установил, что на смазочное действие масел очень важное влияние оказывают процессы, связанные с образованием в масле продуктов окисления, являющихся главными источниками питания поверхностей трения кислородом, необходимым для образования оксидных пленок. Важное значение на смазочное действие масел оказывают и процессы, связанные с модифицированием поверхностей трения металлов.

Поверхности твердых тел, находящиеся в реальных условиях, почти всегда подвержены механическому, химическому и адсорбционному воздействию. Если предположить, что твердым телам не присуща неоднородность свойств поверхности и на них всегда имеются дефекты, то в таком идеализированном случае можно рассмотреть схему основных видов поверхностных слоев на металле, предложенную А.С.Ахматовым (рис. 5.23). На рис.5.23 представлена 1 - первичная объемная структура металла. Ближе к поверхности находится 2 - зона деформированного металла, которая в зависимости от условий работы детали может меняться от единицы микрона до нескольких миллиметров (у железнодорожных колес и рельсов). Выше располагается слой окислов металлов 3, толщина которых может меняться от нескольких десятков ангстрем и выше. На них могут располагаться адсорбционные слои газов 4, воды 5 и полярных молекул смазки 6.

Относительно адсорбции молекул газа можно сказать, что для металла вообще характерно растворение газа в кристаллической решетке и адсорбция молекул газа на поверхности дефектов. Адсорбция воды всегда является характерной для тел, находящихся в атмосферных условиях. Адсорбция органических же веществ на твердых телах наблюдается только в условиях, когда эти вещества находятся в окружающей среде.

Рис. 5.23. Схема основных видов адсорбционных, окисленных и наведенных трением слоев на поверхности металла

Представленная схема расположения поверхностных слоев на поверхности металлов, учитывая свойства, присущие реальным телам, весьма приближенная. Кроме того, на распределение адсорбционных слоев на поверхности твердых тел во многом оказывает влияние предыстория событий, сорбционная активность адсорбата и латентный период, связанный с формированием слоя органических загрязнений.

Вода, попадающая на поверхность твердого тела (металла), способная сложным образом влиять на процессы, происходящие там, и, прежде всего, на характер протекания физической и химической адсорбции. Так, если в случае физической адсорбции слой воды, предварительно насыщающий адсорбционное поле поверхности тела, затормаживает адсорбцию поверхностно-активных молекул смазки, вследствие необходимости преждевременной ее десорбции, то в случае хемосорбции влияние воды на формирование смазочных слоев проявляется иначе. Чаще всего малые количества воды очень сильно влияют на скорость протекания реакции между молекулами жирной кислоты и окисленной поверхностью металла (в том числе и железа). Образующийся в результате поверхностный слой металлического мыла во многом способствует улучшению смазочной способности имеющейся там смазки. Это явление зависит от природы оксидной пленки на металле и различия оксидов одного и того же тела. В этих условиях вода благоприятствует формированию смазочного слоя. В случае же физической адсорбции воды на чистых поверхностях, по мнению Гарди, ее влияние на граничное трение не сказывается.

5.11. Обобщенные закономерности трения твердых тел

Трение в узлах трения реальных машин и механизмов, подверженных атмосферному и производственному воздействию, имеет сложный характер. Однако, несмотря на это, анализ фрикционных процессов у большого количества машин и специально поставленные исследования позволяют выделить и вполне определенные закономерности. В условиях высоких контактных давлений влияние скорости скольжения на граничное трение сталей нельзя сводить, однако, только к тепловым эффектам. При различных скоростях скольжения меняется и характер взаимодействия трущихся тел со смазочными материалами и окружающей средой. При реализации граничного трения в контактной зоне происходят процессы разрушения поверхностных пленок и процессы "залечивания" образовавшихся ювенильных поверхностей новыми органическими пленками сорбционного происхождения. В зависимости от соотношения этих процессов, протекающих в контактной зоне, и реализуется тот или иной коэффициент трения. С уменьшением скорости относительного скольжения скорость химического взаимодействия твердого тела со смазочной или газовой средами оказывается выше скорости натирания поверхностных слоев. В области низких скоростей относительного скольжения особо важное значение приобретают реологические свойства контактирующих тел и их поверхностных слоев. Согласно современному учению о трении твердых тел важное влияние на реализацию силы трения оказывают как свойства поверхностных слоев трущихся тел, так и свойства смазочных веществ и адсорбционных пленок. Исследование строения, состава и свойств поверхностных слоев позволит подойти к выявлению причин значительных колебаний трения, наблюдающихся в эксплуатационных условия (рис. 5.24).

а) б)

Рис. 5.24. Зависимости коэффициента трения от:

а - нормального давления Р; б - скорости скольжения V

Анализируя представленное, можно сформулировать требования для обеспечения удовлетворительной работы узлов трения машин и механизмов.

1. Тщательный учет реальных нагрузок на узел трения.

2. Подбор материала поверхностей трущихся тел.

3. Конструктивное выполнение узла трения.

4. Выбор соответствующего смазочного материала.

Только сочетание специально подобранных выше указанных требований и параметров узлов трения может обеспечить их нормальную работу. Нарушение хотя бы одного из указанных требований (например, увеличение нагрузок на узел трения) может резко ухудшить условия работы узла трения. Для устранения случившегося требуется вновь осуществлять подбор тех или иных параметров для данного узла трения. Это может стать возможным или за счет изменения материала трущихся тел, изменения конструкции узла трения или выбора другого смазочного материала.

ИЗНАШИВАНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

6.1. Общие понятия и определения

Процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) остаточной деформации, получил название изнашивание.Результат же изнашивания, проявляющийся в виде отделения материала или в его остаточной деформации, получил название износ. Продуктами процесса изнашивания являются частицы износа, отделившиеся с трущихся поверхностей в виде полидисперсного материала и материала трущихся тел, пластически оттесненного из зоны трения. Обычно величину износа DИ определяют по толщине слоя Dh, объему DV или массе материала DM, вынесенного из зоны трения, которые связаны между собой соотношением

где А_а- номинальная площадь поверхности трения; r - плотность

изнашиваемого материала.

Наиболее распространенной характеристикой процесса изнашивания является интенсивность изнашивания, представляющая отношение износа DИ к пути DS, на котором происходило изнашивание, или к объему работы DА, при выполнении которой накоплен износ

или .

В том случае, когда DS®0 (или DА®0), говорят о мгновенной интенсивности изнашивания, и тогда величину I' рассматривают как первую производную износа по пути трения (или по работе), т.е.

или .

Обычно процесс изнашивания характеризуют безразмерной величиной - интенсивностью линейного изнашивания l'_h, представляющей первую производную от толщины h изношенного слоя по пути S

или .

Аналогичным образом можно выразить объемную интенсивность изнашивания l'_V или интенсивность изнашивания по массе I'_m.

Энергетическая интенсивность линейного изнашивания выражается в виде

где m - коэффициент трения; А_а- номинальная площадь поверхности трения; P_а - давление в зоне трения; V - скорость относительного скольжения; t - продолжительность процесса трения.

Процесс изнашивания характеризуется также скоростью изнашивания V_n, представляющей собой отношение износа DИ к интервалу времени Dt, за которое он наработан

Величина, обратная интенсивности изнашивания, получила название износостойкости. Она характеризует собой способность пары трения сопротивляться изнашиванию.

6.2. Классы износостойкости

Износостойкость в настоящее время стала одним из нормативных комплексных и наиболее универсальных показателей триботехнического узла трения. Значения износостойкости на практике колеблются в очень широких пределах: от 10³ до 10¹³. Поэтому ее часто представляют в виде некоторой логарифмической шкалы. Весь диапазон шкалы износостойкости фрикционных пар разделяется на классы и разряды. Для их определения используется показательная или аналогичная логарифмическая зависимость

где a_k - мантисса логарифма 0 £ Ig(a_k) £ 1 (1 £ a_k £ 10); k - целое число, обозначающее номер класса износостойкости.

Устанавливаются десять классов износостойкости - от 3-го до 12-го класса включительно. Нижняя граница J в каждом классе не входит в его состав (табл. 6.1, 6.2).

Таблица 6.1

Классы износостойкости

Класс износостойкости	Износостойкость	Класс износостойкости	Износостойкость
3	10³...10⁴	8	10⁸...10⁹
4	10⁴...10⁵	9	10⁹...10¹⁰
5	10⁵...10⁶	10	10¹⁰...10¹¹
6	10⁶...10⁷	11	10¹¹...10¹²
7	10⁷...10⁸	12	10¹²...10¹³

Таблица 6.2

Класс износостойкости типовых узлов трения

Узел трения	Класс износостойкости
Цилиндропоршневая группа автомобиля	11,12
Цилиндропоршневая группа компрессора	10
Направляющая токарного станка	9,10
Дисковый тормоз	6 …10
Подшипники скольжения	6 … 8
Резцы	8

Располагая конкретными данными об износостойкости того или иного узла трения, можно, использовав представленные выше зависимости и таблицы, определить соответствующий ему класс износостойкости, а, следовательно, и триботехнические качества данного узла.

6.3. Входные и выходные параметры и внутренние факторы, определяющие износ

По характеру проявления и действия трение и износ представляют собой параметры, которые легко обнаружить и измерить. На первый взгляд, они представляют собой механический процесс. Однако более глубокое изучение процессов трения и износа показало, что в их основе лежат также и сложные физико-химические процессы, обусловленные молекулярными взаимодействиями.

И если износ реализуется лишь только при непосредственном взаимодействии трущихся тел, то силы трения реализуются как при непосредственном их контактировании, так и в случае, когда трущиеся тела разделены третьим жидким или газообразным телом.

Во всех случаях износ и его производные зависят от:

1) силовых и кинематических параметров и, в первую очередь, от давления на поверхности трения Р_а и скорости относительного скольжения V_ск;

2) параметров, характеризующих состав, структуру и механические свойства материалов пары трения (твердость, предел текучести, модуль упругости и др.);

3) свойств поверхностного слоя, его шероховатости, состава, жесткости, напряженного состояния и т д;

4) вида трения и свойств смазки;

5) внешних условий, влияющих на процесс изнашивания (температуры, наложения вибраций, влажности и др.);

6) конструктивных особенностей фрикционного узла.

Все эти параметры могут меняться во времени, т.е. в процессе работы узла трения. Поэтому точная констатация этих параметров представляет собой исключительно сложную задачу, решение которой в настоящее время находится еще в стадии становления. В связи с этим И.В.Крагельский предложил рассматривать фрикционный процесс как систему входных параметров, которыми мы можем задаваться; внутренних факторов, проявляющихся при непосредственном взаимодействии трущихся тел, что весьма сложно контролировать во время реализации фрикционного процесса, и выходных параметров, фиксируемых в результате происшедшего фрикционного контакта (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Блок-схема процессов и параметров трения и износа

Входные параметры	Внутренние факторы	Выходные параметры
1. Природа контактирующих тел 2. Промежуточная среда 3. Нагрузка 4. Скорость 5. Температура	1. Изменение шероховатости 2. Пластическая деформация поверхностного слоя. 3. Накопление вакансий и дислокаций 4. Изменение структуры поверхностного слоя. 5. Изменение механических свойств. 6. Тепловыделение при трении 7. Изменение свойств пленок. 8. Химическое взаимодействие зоны трения с окружающей средой. 9. Трибомутация.	1. Сила трения 2. Интенсивность износа

При кажущейся общности между процессами трения и износа каждое из этих явлений имеет свою специфическую природу. Более сложную природу взаимодействия проявляет механизм изнашивания твердых тел. С этим бывает связан и тот факт, что изменения уровня трения не всегда приводят к аналогичным изменениям результатов изнашивания.

Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 911; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!