Основы триботехники

Молекулярные  силы как силы, перпендикулярные поверхности, казалось бы, не должны производить  работу при относительном тангенциальном перемещении поверхностей. То же должно относиться и к силам адгезии, если образовавшаяся вследствие адгезии связей между телами разрушается по месту соединения. На самом же деле относительное смещение поверхностей при наличии взаимного притяжения и адгезии сопровождается деформацией сдвига, что вследствие неидеальной упругости материала требует затраты энергии в необратимой форме. Разумеется, большую тангенциальную силу надо приложить, если связь между телами нарушается не по месту соединения, а на некоторой глубине от поверхности.

Более сильным проявлением молекулярных сил является схватывание поверхностей. Сила трения в этом случае зависит от протяженности зон схватывания и сопротивления их разобщению.

Двучленные  выражения вида (4.1) и (4.2) для силы треки я и коэффициента трения действительны для трения со смазочным материалом и без него.

Многие  исследователи (Хольм, Стренг, Льюис  и др.) считают, что составляющая силы трения, обусловленная пластической деформацией (механическим взаимодействием) поверхностей, обычно весьма незначительна (всего несколько процентов от суммарной силы трения). Так, трение металлических поверхностей в вакууме сопровождается большим коэффициентом трения (больше единицы). Если же в вакуумную камеру впустить воздух, то за очень короткий промежуток времени коэффициент трения уменьшается в несколько раз. За это время кислород не в состоянии образовать пленку окисла, чтобы сгладить самые небольшие неровности поверхности трения или воспрепятствовать их взаимному внедрению.

На основании  этого можно сделать вывод, что  молекулярная составляющая силы трения является причиной высокого значения последней в вакууме. Заметим, что при трении качения молекулярная составляющая сравнительно мало влияет на трение.

Статическая сила трения в зависимости от продолжительности  неподвижного контакта возрастает до некоторого предела. Сила трения движения зависит от скорости скольжения поверхностей, причем соответственно давлению и твердости сопряженных тел коэффициент трения может монотонно возрастать, убывать, переходить через максимум или минимум.

^Трение  без смазочного материала сопровождается  скачкообразным скольжением поверхностей, с чем связаны, например, вибрация автомобиля при включении сцепления, «дергание» при торможении, «визг» тормозов, вибрация резцов при резадии и нарушение плавности работы медленно движущихся деталей можно указать некоторые мероприятия борьбы со «скачками» при трении -  увеличение жесткости системы, повышение скорости скольжения, подбор пар трения, для которых коэффициент трения незначительно возрастает с ростом продолжительности неподвижного контакта и при повышении скорости через минимум не проходит.

Пленки  окислов, влага и загрязнения  на металлических поверхностях влияют на коэффициент трения двояко. Силы молекулярного притяжения между ними могут быть в сотни раз меньше, чем в случае взаимодействия металла на чистом контакте. Кроме того, прочность окислов обычно меньше прочности основного металла, поэтому сопротивление «пропахиванию» и срезанию частиц при перемещении, наряду с силами молекулярного взаимодействия, значительно понижается, и коэффициент трения падает. Толстые пленки окислов обладают меньшей твердостью, и наличие их приводит к повышению площади фактического контакта, причем, если это возрастание будет протекать быстрее, чем уменьшение механической составляющей силы трения, то произойдет увеличение силы трения.

Особо [остановимся на трении металлических  поверхностей при высоких температурах, выше температуры разложения минеральных  масел, или температур плавления  либо разложения твердых смазочных материалов. 1Цд поверхностях трения даже в условиях высокого разрежения образуется окисная пленка. Свойства этой пленки в отношении равномерности покрытия, плотности и прочности связи с основанием, а также интенсивность ее образования зависят от состава сплава! Пленка при соответствующем составе уменьшает силу трения и интенсивность изнашивания и предохраняет поверхности от коррозии и непосредственного контактирования. В разреженной атмосфере защитное Действие пленки снижается. 

Трение  при граничной смазке

При граничной  смазке поверхности сопряженных  тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины одной молекулы до 0,1 мкм). Наличие граничного слоя или  граничной пленки снижает силы трения по сравнению с трением без смазочного материала в 2 ... 10 раз и уменьшает износ сопряженных поверхностей в сотни раз. Все масла способны адсорбироваться на металлической поверхности. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, качества и количества последних. Хотя минеральные смазочные масла являются механической смесью неактивных углеводородов, они, за исключением наработавших сверхчистых масел, всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно-активных веществ. Жирные кислоты входят в состав масел растительно-животного происхождения, а также в состав пластичных смазочных материалов. Поэтому почти все смазочные масла образуют на металлических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры толщиной до 0,1 мкм, обладающую более или менее прочной связью с поверхностью и продольной когезией. При наличии относительно толстой масляной прослойки между поверхностями трения переход от ориентированной структуры масла к неориентированной совершается скачком.

Молекулы  смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности (стоймя), что позволяет представить для наглядности граничную планку в виде ворса (рис. 4.1). При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом же деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено. На восстановление ориентации молекул в прежнее положение перпендикулярно поверхности тел требуется некоторый промежуток времени, иногда относительно большой.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при толщине  слоя больше некоторой критической  величины скользят друг по другу; по нормали  к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию; ее несущая способность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 см². Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости.

Механизм  трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой протекает упругая в пластическая деформации на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя.(На площадках контакта может произойти взаимное Внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной Пленки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в пунктах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках. Это вызывает дополнительное со противление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее повреждениях. Эта способность играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания

Невозобновляемая  граничная пленка по мере возрастания  пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты износа и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки как твердого тела и удаление масла в атмосферу. Окисление пленки способствует дезориентации структуры и разрушению ее.

вязкость  масла не влияет на процесс граничной  смазки. Масла с одинаковой вязкостью, но разных марок, имеют различное смазывающее действие Для оценки поведения масел при граничной смазке еще в 1903 г. было введено понятие маслянистости и предложены различные формулировки этого понятия. (Маслянистость — это комплекс свойств, обеспечивающих эффективную граничную смазку. Маслянистость оценивают в основном по коэффициенту трения: чем он меньше, тем выше маслянистость. Делаются попытки количественно оценить ее. Маслянистость характеризует действие смазочного материала применительно к данному сочетанию трущихся материалов.

В 1969 г. Б. В. Дерягин, М. М. Снитковский и  А. Б. Лященко выдвинули гипотезу о том, что молекулы смазочного материала в граничном слое сгруппированы в домены. Домен олеиновой кислоты в граничном слое содержит около 1400 молекул. Домены формируются электромагнитными силами и как бы копируют кристаллическое строение подложки. Установлено, что граничные слои обладают свойствами полупроводникового элемента.

 Добавление  в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно-активных веществ повышает толщину гранитного слоя и способствует уменьшению износа)(до двух раз).

При трении с граничной смазкой износ  деталей машин велик. В силу волнистости  и шероховатости поверхностей их контактирование происходит на очень малых участках трения; контактны. давления имеют высокие значения, и тонкая граничная пленка масле не предохраняет поверхности от пластической деформации, что неизбежно ведет к износу деталей. Это является непреодолимым недостатком граничной смазки.

 Эффективность  смазочного действия помимо фактора  адсорбции зависит от химического  взаимодействия металла и смазочного  материала. Жирные кислоты, вступая  в реакцию с поверхностью металла,  образуют мыла т. е. металлические  соли жирных кислот, (способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации) Химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазывающего действиям. Это подтверждает то обстоятельство, что инертные металлы и стекло плохо смазываются. Имеются косвенные основания считать, что (между металлом и углеводородными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием. Так, силиконовая жидкость, имеющая высокую вязкость, но не являющаяся активной к металлу и не образующая поэтому защит ной пленки на металлической поверхности, не могла быть использована в качестве смазочного материала в подшипниках скольжения.

Опыты со сталью 45 при скорости скольжения 4,5 м/с в среде воз духа и  аргона при трении без смазочного материала (р = 1 МПа) и трении при граничной смазке (р = 3 МПа) показали, что после истирания первичной пленки интенсивность изнашивания в аргоне превышала более чем в 30 раз интенсивность изнашивания в воз духе, а при граничной смазке в 950 раз. Эти и аналогичные им опыты убедительно свидетельствуют (значительном влиянии кисло рода на процесс трения при граничной смазке. По этому вопросу имеется две концепции. _

Как предполагает Б. Лунн (реакция между металлом и  смазочным маслом с учетом роли окружающей среды протекает следующим образом: металл играет роль катализатора или кислородоносителя, вызывая окисление масла с образованием в дальнейшем прочно сцепляющихся с металлом соединений. Эти химические реакции протекают в местах с наибольшими давлением и температурой, т. е. в точках металлического контакта и особенно на низкоплавкой структурной составляющей, проявляющей более высокую химическую активность. По Г. В. Виноградову смазочное масло играет роль основного кислородоносителя, причем граничный слой образуется и восстанавливается по мере его изнашивания не на самой поверхности, а на субмикроскопической окисной пленке.

В связи  с невысокой термической стойкостью граничной пленки, образуемой на металлических  поверхностях обычными минеральными смазочными маслами, иногда прибегают к искусственному повышению ее химической активности. Этого достигают путем введения в масла специальных добавок (присадок), содержащих органические соединения серы, фосфора, хлора или сочетание этих элементов.

Вводят  также мышьяк и сурьму. Хотя  эти  присадки и прочно адсорбируются  на поверхностях трения, однако им отводится  в процессе трения другая роль. В  условиях высоких температур, развивающихся  на микроконтактах, активное соединение присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа и окисленных хлоридов и т. п. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое со противление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.

Пленка, образуемая на поверхности стали  хлорированными углеводородами, работоспособна до температуры 300... 400°С. Выше этой температуры происходит плавление и (или) разложение. У сульфидов температура плавления выше, и смазывающая способность сохраняется до температуры 800 °С. Ниже критической температуры пленки ведут себя как твердые смазочные материалы.