Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
коленного сустава человека, по Д. Муру (а), сталь , работающей в режиме ИП (б): жидкость; 2 – кость; 3 – синовиальная жидкость, обеспечивающая режим ИП; 6 сервовитная пленка(медь); 8 – сталь; 9 – бронза здорового человека имеют коэффициент трения коэффициента трения в гидродинамических например лемех плуга или машины, то невозможно деталей. Но при трении в смазочный материал, трущуюся пару можно где возможен обмен энергией и веществом и, структур на основе обнаружено в стойках шасси узлах трения компрессора узлах трения износостойкости деталей машин нагруженных подвижных типа узлов трения — здесь понимается не в трущиеся поверхности материал по твердому − это живых организмов, машиностроении не применяют. поверхности которого имеется поверхность имеет такую материала, причем мягкий ), и пары трения ): синовиальная оболочка; 4 – ИП; 6 – полимерная трения 0,001...0,03, что гидродинамических радиальных 23 подшипниках или в прецизионных подшипниках качения. Хотя поверхность хряща сустава и имеет шероховатость, но в процессе нагружения сустава и его движения площадь фактического контакта в результате смятия шероховатостей близка к 100 %. Сравним работу сустава человека и пары трения бронза – сталь в режиме ИП (см. рис. 2.7). Рис . 2.8. Рост беспорядка в соответствии со вторым законом термодинамики (а) и рост степени организованности в соответствии с законом Дарвина (б) Анализ приведенных схем показывает, что имеется достаточно четкая внешняя аналогия между работой сустава живого организма и пары трения бронза − сталь в режиме ИП. Эта аналогия лишь внешняя. В действительности механизм работы сустава живого организма в тысячи раз сложнее. Заметим, что подобные пары трения (у мыши, слона, рыбы, птицы) являются универсальными узлами, обладающими безызносностью. Известно, что биологические системы обладают способностью к самовосстановлению и могут работать десятки лет без износа. Долгое время существовало как бы противоречие законов развития живой и неживой природы. Основной закон термодинамики Клаузиуса предсказывает рост энтропии, т.е. беспорядка в замкнутой системе. Эволюционная теория Дарвина, наоборот, устанавливает, что в основе отбора лежит повышение степени организованности биологических систем. Эти взаимно противоположные законы развития можно представить графически (рис. 2.8). Однако в последние десятилетия биологическая эволюция стала рассматриваться с кибернетических позиций и понятий автоматического регулирования и обратной связи, что в значительной степени сблизило эти два закона развития мира. Помимо сказанного, основную роль в указанном сближении следует отнести к спонтанному формированию структур в открытых системах на молекулярном уровне. Установлено, что в открытых системах, которые постоянно получают из внешней среды отрицательную 24 энтропию и вещество, могут возникать стационарные неравновесные состояния с высокой степенью упорядоченности. В соответствии с термодинамикой неравновесных процессов новые структуры могут возникать в природе в тех случаях, когда выполняются следующие четыре необходимых условия: 1. система является термодинамически открытой, т.е. может обмениваться веществом и/(или) энергией Е со средой; 2. динамические уравнения системы нелинейные; 3. отклонения от равновесия превышают критическое значение; 4. микроскопические процессы происходят кооперативно (согласованно). Второй закон термодинамики связан с первым условием: в системах, способных к формированию структур, он не нарушается, а лишь проявляется в более общем виде. Второе и третье условия указывают, что нужно отойти от привычных линейных физических представлений и вступить в нелинейную область, где при определенных условиях упорядочение может наступить самопроизвольно. Четвертое условие отражает причинность образования процессов, идущих на микроскопическом уровне, при наличии особых связей, которые ведут к спонтанному возникновению структур. Во многих явлениях неживой природы явно отсутствуют какие-либо признаки самоорганизации, наблюдается распад системы и увеличение энтропии. Так, кусок обычного сахара, выставленный на воздух, через некоторое время испаряется, исчезает. Обратного явления не происходит, сахар "из ничего" не образуется. След самолета в небе из конденсированных паров воды также вскоре рассеивается, пропадает. Подобных примеров множество. Но вот другие примеры. При определенных условиях из паров воды, находящихся в воздухе, образуются (выпадают) снежинки. Они имеют правильную форму и по структуре более высокую организацию, чем обычный пар. Здесь налицо явная самоорганизация. Из расплавов металлов или растворов солей образуются кристаллы. Это примеры самоорганизации неживой природы. Самоорганизация не является универсальным свойством материи и существует лишь при определенных внутренних и внешних условиях. Вместе с тем это свойство не связано с каким-то особым классом веществ. Узел трения в неживой природе может удовлетворять требованиям самоорганизации. Он представляет собой открытую систему. К нему подводится энергия от электродвигателя, вращающего механизм, или от двигателя внутреннего сгорания. Как правило, узлы трения смазываются. Смазочный материал состоит из множества одинаковых элементов, в данном случае — молекул. В нем могут условия для самоорганизации До последнего времени процессом. Обратное утверждение создать узел, который бы не созидательным процессом, и 2.3. Безызносность в узлах Рассмотрим один из компрессора домашнего холодильника отмечалось, работает десятки остановки) практически без из стали, Рис . 2.9. Схема смазывания 1 – коленчатый вал; 2 – подшипники 5 –цилиндр; 6 – змеевик из стрелками) В процессе работы на коленчатого вала (шатунной и цилиндре – самопроизвольно 2 мкм. Пленка формируется материале в результате незначительного трубок охладителя. Медные ней появляются ионы меди 25 нем могут быть мицеллы, ионы металлов самоорганизации новых структур. времени считалось, что трение является разрушительным утверждение считалось абсурдом, как и бы не изнашивался. Тем не менее, трение процессом, и безызносность – это реальный процесс в узлах трения компрессора холодильника один из примеров самоорганизации — домашнего холодильника. Компрессор холодильника десятки лет в тяжелых условиях (постоянные практически без износа. Детали, работающие на тр смазывания компрессора домашнего холодильника подшипники коленчатого вала; 3 – шатун змеевик из медных труб (места отложения работы на поверхностях трения стальных деталей шатунной и коренных), сопряженных подшипниках самопроизвольно образуется тонкая медная пленка формируется из ионов меди, образующихся результате незначительного коррозионного процесса Медные трубки растворяются маслофреоновой меди. К месту контакта трущихся деталей металлов. Все это создает является разрушительным как и то, что можно менее трение может быть реальный процесс. холодильника — узлы трения холодильника, как уже постоянные пуски и на трение, выполнены домашнего холодильника : шатун; 4 – поршень; отложения меди показаны стальных деталей – шейках подшипниках, поршне пленка толщиной 1... азующихся в смазочном коррозионного процесса медных маслофреоновой смесью, и в деталей ионы приносит 26 охлаждающая смесь из фреона и масла, исполняющая также роль смазочного материала (рис. 2.9). Активность маслофреоновой смеси по отношению к медным трубкам охладителя повышается в результате образования в зоне трения при начальной работе компрессора слабых кислот (окисления масла). После того как в зоне контакта образуется пленка меди, условия трения деталей изменяются: снижается давление, уменьшается сила трения и падает температура. В результате процессы (окисление масла и растворение трубок), способствующие образованию пленки меди, могут прекратиться. Таким образом, как установил А.К. Прокопенко, можно отметить следующую цепочку взаимообусловленных явлений, происходящих в смазочной системе компрессора и на поверхностях трения деталей. Начальный период: 1. В паре трения сталь–сталь смазочный материал окисляется, образующиеся кислоты растворяют поверхностные слои медных трубок охладителя и доставляют в смазочную систему ионы меди. 2. Ионы меди, циркулируя в смазочной системе, осаждаются на поверхностях деталей только в зоне трения; узкие щели на деталях по отношению к массе детали представляют собой анодные участки; ионы меди втягиваются в зазоры соединений; 3. В результате коллективного взаимодействия ионов происходит кристаллизация и образуется тонкая пленка меди, покрывающая поверхности трения деталей. Установившийся режим: 4. После того как поверхности трения покроются пленкой меди, пара трения сталь–сталь становится парой медь-медь; это приводит к снижению трения и, как результат, к снижению интенсивности окисления маслофреоновой смеси и прекращению растворения медных трубок (структура медной пленки и ее антифрикционные свойства описаны далее); 5. В установившемся режиме трения медная пленка не изнашивается. Ее частицы могут переходить с одной поверхности трения на другую. Продукты износа пленки удерживаются в зазоре электрическими силами. На основании рассмотренного примера можно утверждать, что трение может сопровождаться эволюционными процессами, в результате которых разрушение поверхностей становится второстепенным. Главным выступает созидательный характер трения, который обусловлен обменом узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также коллективным поведением ионов меди, из которых формируется тонкая медная пленка, защищающая поверхности трения от изнашивания. Металлическую медную пленку, 27 образующуюся в процессе трения, называют "сервовитной " (от лат. servo-witte – спасать жизнь). Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. Образование защитной пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлений неживой природы. При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все нагрузки, покрывая шероховатость поверхностей стальных деталей, которые практически не участвуют в процессе трения. Структура пленки отличается от структуры обычной меди; она квазижидкая – имеет много вакансий и мало дислокаций, образуется в процессе трения (в стесненных условиях). Об этом изложено далее. Теперь вспомним принцип работы узла трения, созданного природой, – сустав живого организма: мягкий материал работает по мягкому материалу. Нагрузка распределяется равномерно по поверхности трения, поэтому на единицу площади она незначительна. Это способствует продлению жизни узла трения. Такая же картина происходит и при работе узла трения в режиме ИП. 2.4. Механизм образования сервовитной пленки В зависимости от вида смазочного материала, условий работы узла трения и конструкционных материалов, из которых изготовлены трущиеся детали, механизм формирования сервовитной пленки может быть различным. Формирование сервовитной пленки в паре бронза—сталь при смазывании глицерином. Глицерин является модельной жидкостью, которая легче других реализует режим ИП при трении пары бронза—сталь. В первый период работы пары происходит растворение поверхности трения бронзы. Глицерин действует как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы (олово, цинк, железо, алюминий и др.) уходят в смазочный материал, в результате поверхность бронзы обогащается атомами меди. После ухода атомов легирующих элементов с поверхности бронзы деформация ее при трении вызывает диффузионный поток новых атомов легирующих элементов к поверхности, которые затем уходят в смазочный материал. Таким образом, слой бронзы, который деформируется при трении, освобождается от легирующих элементов и состоит в основном из меди. В нем образуется большое количество вакансий, часть из них нигилирует, образуя поры, которые заполняются молекулами глицерина. Глицерин, как известно, является восстановителем окиси и закиси меди, поэтому поверхность трения медной пленки свободна от окисных пленок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В результате стальная поверхность постепенно покрывается тонким слоем меди. Поскольку слой меди, образующийся на 28 бронзовой поверхности, утончается вследствие его переноса на стальную поверхность, то происходит дальнейшее растворение бронзовой поверхности. Этот процесс происходит до тех пор, пока на обеих поверхностях, стальной и бронзовой, не образуется слой меди толщиной 1...2 мкм (рис. 2.10). После того как медная пленка покроет бронзовую и стальную поверхности, молекулы глицерина уже не могут взаимодействовать с бронзой и "вытягивать" атомы легирующих элементов, процесс растворения бронзы прекращается и наступает установившийся режим ИП. Рис . 2.10. Пленка меди на стальной поверхности (косой срез) Как установил С. Г. Красиков, процесс образования сервовитной пленки на стальной поверхности происходит дискретно. Частицы меди с бронзовой поверхности переносятся на вершины неровностей стальной поверхности, т.е. на участки стали, которые непосредственно контактируют с бронзой. Затем постепенно происходит "сползание" накопившейся меди во впадины неровностей. Глицерин при трении разрушает окисную пленку и на стальной поверхности, являясь восстановителем, как и для меди, обеспечивает высокую прочность сцепления медной пленки со стальной поверхностью. В результате последняя покрывается медной пленкой, и пара трения сталь–бронза становится парой медь–медь. В процессе приработки в случае ограниченного объема смазочного материала в нем могут образоваться мицеллы – частицы меди, окруженные плотным кольцом молекул смазочного материала. Мицеллы имеют заряд, что удерживает их в зазоре. Иногда мицеллы выходят из зазора, тогда под действием электрического поля они попадают в узкие щели, например, между испытуемым образцом и подложкой, или под головку болта, крепящего образец, и там образуют тонкую пленку меди. Образование пленки меди на бронзовой поверхности происходит в результате электрохимического процесса – процесса растворения металла. Согласно закону электрохимической кинетики, скорость анодного растворения должна возрастать при увеличении потенциала, однако в условиях ИП этого не происходит. Вследствие образования сервовитной пленки между анодными и катодными участками поверхности бронзы процесс растворения может полностью прекратитьс по каким-либо причинам растворение бронзы, и поверхность наступит пассивное состояние В процессе образования изменения. Ю.С. Симаков и превращения глицерина: а) механохимические б) взаимодействие продуктов продуктов коррозии и растворение в) может происходить также полимеров трения: 29 прекратиться, наступит установившийся режим причинам медная пленка разрушится, то вновь и поверхность будет обогащаться медью состояние. образования сервовитной пленки в глицерине Симаков и А.А. Поляков установили следующие механохимические превращения с уменьшением молекулярной взаимодействие продуктов превращения; происходит восстановление растворение активных металлов их соединений происходить образование высокомолекулярных установившийся режим трения. Если то вновь произойдет медью, пока снова не глицерине проходят следующие химические молекулярной массы: происходит восстановление соединений: высокомолекулярных соединений, а Образующиеся полимеры меди), разделяющий основной контактирования: г) образование поверхностно активностью, они адсорбируются вступать в химическое взаимодействие хемосорбционные слои; участвуют Рис . 2.11. Мицеллообразование веществ а – мицелла; б – начальный растворения обогащена медью Помимо отмеченного Поверхность меди при отсутствии гидрогенизацию спирта. В результате активно участвует в процессе медном сплаве и на стали При температуре более 65 ° переходит в водородное интенсивно насыщается водородом переносится на поверхность 30 полимеры трения создают дополнительный основной металл пары трения от непосредственного поверхностно-активных веществ (обладая адсорбируются на поверхности деталей химическое взаимодействие с поверхностями деталей слои участвуют также в мицеллообразовании Мицеллообразование и взаимодействие поверхностно веществ с бронзовой поверхностью: начальный период растворения; в – поверхность обогащена медью отмеченного происходят и каталитические при отсутствии окисной пленки может спирта. В результате выделяется свободный водород процессе трения, – восстанавливает окисные стали, поддерживая процесс безокислительного более 65 °С увеличивается выделение водорода водородное изнашивание. Поверхность стального насыщается водородом, растрескивается и в поверхность бронзы. дополнительный слой (помимо от непосредственного веществ (обладая высокой деталей трения, могут поверхностями деталей, образуя мицеллообразовании) (рис. 2.11). поверхностно -активных поверхность бронзы после каталитические превращения. может вызвать де- свободный водород, который восстанавливает окисные пленки на лительного трения. водорода, и режим ИП стального образца и в виде порошка 31 Необходимо сделать следующее замечание. Температура 65 °С – критическая температура реализации ИП в паре бронза– сталь только при смазке глицерином. При других смазочных материалах критическая температура будет равна температурной стойкости этой смазки. Выше рассмотрен механизм образования сервовитной пленки в паре бронза– сталь в среде глицерина. Глицерин имеет простую химическую формулу и легко реализует режим ИП. В реальных конструкциях глицерин как смазочный материал не применяют. Ранее в гидросистемах самолетов в качестве гидрожидкостей применяли спиртоглицериновую смесь, где осуществлялись все вышеописанные процессы. Впоследствии спиртоглицериновую смесь заменили на более сложную в химическом отношении гидрожидкость АМГ-10. В этой жидкости режим ИП в паре бронза– сталь осуществляется при более высоком давлении. Жидкость АМГ менее активна в химическом отношении, чем спиртоглицериновая смесь. При высоких давлениях режим ИП в паре бронза–сталь может наблюдаться при смазывании узлов трения ЦИАТИМ-201 и обычными минеральными маслами, особенно в узлах трения с возвратно-вращательным движением. Как установлено О.Н. Курловым, кинематика узла трения существенно влияет на процесс образования сервовитной пленки. В обратной паре трения режим ИП проявляется в большей степени, чем в прямой. 1. Сервовитная пленка может образовываться в узле трения сталь– сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании ЦИАТИМ-201 с добавками порошка меди, бронзы или латуни, а также свинца в паре сталь–сталь поверхности деталей покрываются тонкой пленкой, состоящей из металла применяемых порошков. В процессе работы порошки частично растворяются в смазочном материале и в результате восстановления окисных пленок на их поверхности прочно схватываются со сталью, образуя сервовитную пленку. Такие пленки пластичных металлов пористы и содержат в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках снижается, а стальные поверхности не изнашиваются. При трении сдвиг поверхностей трения происходит внутри образующихся пленок по диффузионно-вакансионному механизму. При хорошо восстанавливающих свойствах смазочного материала можно для реализации ИП вводить закись или окись меди. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления окислов меди в процессе трения. 2. В промышленности М.В. Голубом, а также Е.Н. Грискиным разработан ряд порошковых твердоспеченных материалов, работающих в режиме ИП. Шихта для твердоспеченного материала готовится из тонкодисперсных смесей порошков ВКЗ, ВК6, ВК8 или из указанных смесей с добавлением литого карбида вольфрама (WC+WC) зернистостью 0,1...0,25 мм в отношении 1:3. В качестве связующего материала применяют главным 32 образом медно- никелевые сплавы, которые обладают жидкотекучестью и обеспечивают высокую прочность порошкового материала. Порошковые материалы могут работать в режиме ИП при смазывании нефтью, нефтепродуктами и сточными водами. Сервовитная пленка образуется на поверхности твердых составляющих сплава в результате механического выдавливания мягкой составляющей и ее последующего растворения. Сплавы способны работать в одноименной паре (композиционный материал по композиционному материалу). Такое сочетание материалов работоспособно только благодаря образованию сервовитной пленки, которая обеспечивает смазывание твердых составляющих порошковой композиции. Эти составляющие без пленки меди не могут нести нагрузку, происходят задиры поверхностей. 3. Сервовитная пленка может образоваться при трении о сталь ПГФЭ, наполненного закисью меди при смазывании глицерином. Пленка образуется в результате восстановления закиси меди до чистой меди. При трении стальная поверхность покрывается сервовитной пленкой. Были исследованы антифрикционные композиции на основе эпоксифурановых олигомеров и медьсодержащих наполнителей в среде глицерина и углеводородных масел (МС-20), а также принципиально новые композиции, у которых образование легкоподвижных медных пленок в зоне трения возможно вследствие термического распада наполнителей, например фермиатта или силицилата меди. Повышение нагрузочной способности пары трения в присутствии органических солей объясняется тем, что медь, выделяющаяся в коллоидном состоянии в результате разложения указанных солей, под действием сил трения и высоких локальных температур находится в неокисленном виде; способна взаимодействовать с металлической поверхностью контртела и образовывать на ней тончайшую политурообразную пластичную медную пленку. 4. Неожиданным было обнаружение сервовитной пленки меди на упорных подшипниках скольжения, применяемых в турбинах и турбокомпрессорах. Подшипник состоит из упорного стального гребня, закрепленного на вращающемся валу, и корпуса, внутри которого размещены по окружности плавающие подушки (сегменты). До последнего времени сегменты изготавливали из бронзы БрОФ 8,0-0,30 и на них наплавляли баббитовый слой толщиной несколько миллиметров. Такая конструкция известна под названием подшипников Митчеля и применяется издавна в упорных подшипниках скольжения. Б.П. Кузовкин совместно с сотрудниками Института проблем материаловедения НАН Украины предложили наносить на поверхность бронзового сегмента бронзофторопласт из частиц сферической формы и пропитывать слой суспензией фторопласта 4Д с последующей калибровкой фторопластового слоя. При работе подшипника на слое фторопласта и сопряженной стальной поверхности образовывалась сервовитная пленка. В |