Триботехнология. Гаркунов Триботехнология. 1 Содержание Введение 5 Глава Фундаментальные открытия в трибологии на основе самоорганизации
 Скачать 6.32 Mb.
|
|
2.8.2. Контакт поверхностей трения через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла При обычном трении, как без смазочного материала, так и при граничной смазке, детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01...0,0001 номинальной площади сопряженных поверхностей. В результате участки фактического контакта испытывают весьма высокие напряжения, что приводит к их взаимному внедрению, пластической деформации и, следовательно, к интенсивному изнашиванию. При граничном трении контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, то при ИП он осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой металла. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации. 57 Толщина сервовитной пленки достигает 1...2 мкм, что соответствует размерам неровностей (или перекрывает их) большинства деталей общего машиностроения. При граничной смазке взаимодействие неровностей поверхностей вызывает усталостное изнашивание. При ИП трение непрерывное (континуальное), площадки контакта плоские. Имеющиеся методы определения площади контакта, формулы сближения поверхностей, кривые опорной поверхности, а также методы и приборы для исследования свойств контакта не годятся для условий ИП. Помимо увеличения площади фактического контакта, тонкие пленки мягкого металла сами по себе уменьшают трение между твердыми соприкасающимися поверхностями. Ф. Боуден и Д. Тейбор. изучали трение стального ползуна о пленку индия, нанесенную на инструментальную сталь разной толщины и показали, что имеется оптимальная толщина пленки, обеспечивающая минимум коэффициента трения. Нагрузка воспринимается через пленку, которая не выдавливается и предохраняет поверхности трущихся тел от непосредственного контакта. Срез происходит в мягком металле (в случае схватывания пленки и материала ползуна). При уменьшении толщины пленки сила трения убывает, но при толщине около 0,1 мкм наступает предел, с переходом за который трение начинает возрастать, а при толщине 0,01 мкм, как указывают авторы, пленка перестает быть эффективной. Вероятно, вследствие того что при очень тонких пленках из-за недостаточной их равномерности отложения не исключается наличие участков без индия. Металлические пленки могут выдерживать весьма высокие нагрузки без разрушения, тем не менее, исследования показывают, что после многократного прохождения ползуна по пленке индия она начинает разрушаться. Опыты проводились для пленок индия, нанесенных на серебро, и пленок свинца, нанесенных на сталь и медь. Во всех случаях величина нагрузки, при которой происходило разрушение пленки, зависит от толщины пленки, ее адгезионной прочности по отношению к нижележащей основе и от твердости последней. Эти опыты подтверждают свойство мягкой металлической пленки снижать трение и износ. Помимо действия самой тонкой и мягкой пленки, выдвигается требование твердой подложки. В сумме эффект пленки и подложки локализует деформирование в пластичном материале. Практика триботехники подтверждает целесообразность такого разделения функций поверхностного слоя. Нанесение тонкого слоя индия гальваническим способом на тяжелонагруженные бронзовые подшипники скольжения авиационных поршневых двигателей широко применялось в ремонтных предприятиях в 1950- е гг. Пленка, образующаяся количество вакансий, что снижает трение и исключает концентрацией вакансий достигает скопление дефектов становится концентрация вакансий вызывает Источниками вакансий – эффект растворения сплава – деформирование пленки – эффект растворения пустот условиях; – повышенная концентрация Особенностям тонких пленок посвящена обширная литература 2.8.3. Предотвращение трения При трении с граничной поверхности деталей всегда как известно, предотвращают поверхностей и их схватывание пленки чаще всего разрушаются непосредственного контакта Рис . 2.19. Образования на 1 – сталь; 2 – бронза; 3 – окисные Однако окисные деформироваться, поэтому в результате чего их защитное в зоне трения окисные пленки их разрушения. 58 образующаяся в процессе трения при ИП, содержит что делает ее полужидкой. Такая структура исключает ее наклеп. Материал пленки вакансий достигает особого критического состояния становится неустойчивым и повышение температуры вакансий вызывает процесс типа кристаллизации вакансий в пленке, как пишет А.А. Поляков растворения сплава в процессе трения в активной среде пленки в повторном цикле растяжение–сжатие растворения пустот на поверхности и в порах в восстановительных концентрация вакансий тонкопленочного тонких пленок, отличающихся от их массивного обширная литература. Предотвращение процесса окисления металла на граничной смазкой и трении без смазочного всегда покрыты окисными пленками (рис предотвращают непосредственный контакт схватывание при разрушении масляных пленок рушаются при температурных вспышках контакта шероховатостей. Образования на поверхности контакта деталей при смазке (а) и ИП (б): окисные пленки; 4 – сервовитные пленки ые пленки хрупки, не способны поэтому в процессе трения разрушаются в первую защитное действие ослабевает. С повышением окисные пленки утолщаются, но при этом увеличиваетс ИП содержит большое Такая структура пленки пленки с повышенной критического состояния, когда повышение температуры или кристаллизации. Поляков, могут быть: активной среде; сжатие; в восстановительных тонкопленочного объекта. массивного состояния, металла на поверхностях смазочного материала пленками рис. 2.19), которые, контакт металлических масляных пленок. Масляные температурных вспышках в зоне деталей при граничной пленки способны многократно разрушаются в первую очередь, в повышением температуры увеличивается объем В режиме ИП трение не сопровождается образованием окисления выполняют адсорбированных поверхностно процессе трения и предотвращают пленке. Отсутствие окисных способствует протеканию хемосорбционных дополнительная защита от изнашивания При обычном трении на поверхность, это усиливает Сервовитная пленка не наклёпывается без разрушения, так как при легко выходят на поверхность то дислокации могут разряжаться Экспериментально доказано поверхностей трущихся деталей и окислении углеводородов восстановителей вплоть до высокому отжигу (1020 °С оксидом меди стекловидной машину трения АЕ-5, где по смазке глицерином. В процессе диска и стальных образцов меди не была изношена до деструкции глицерина были некоторые другие соединения 2.8.4. Реализация эффекта Почти все смазочные вещества (ПАВ), что поверхностных слоев материалов результате действия эффекта препятствуют проникновению снижается эффект Ребиндера контакта охватывают более Рис . 2.20. Схема распространения граничной 59 трение происходит без окисления поверхностей образованием окисных пленок. Защиту поверхностей выполняют плотные слои положительно поверхностно-активных веществ, которые предотвращают поступление кислорода окисных пленок уменьшает работу выхода протеканию хемосорбционных процессов, в результате защита от изнашивания. трении окисные пленки препятствуют выходу усиливает наклеп поверхностного слоя и не наклёпывается и может многократно деформироваться ак при отсутствии окисных пленок дислокации поверхность и разряжаются. Поскольку пленка разряжаться в поры самой пленки. Экспериментально доказано А.А. Поляковым отсутствие ущихся деталей при ИП. Он показал, что при трибодеструкции углеводородов смазочного материала может образовываться вплоть до водорода. Так медный диск (1020 °С), в результате которого он покрыва стекловидной структуры толщиной 0,15мм, был где по его поверхности терлись три стальных процессе трения на окисленных поверхностях образцов образовывался тонкий слой меди изношена до основного металла. Химическим путем глицерина были обнаружены акролеин, муравьиный соединения, которые легко восстанавливают Реализация эффекта Ребиндера смазочные материалы содержат поверхностно что предопределяет возможность материалов трущихся деталей и снижения эффекта Ребиндера. При обычном трении проникновению среды (а вместе с ней и ПАВ Ребиндера; в результате пластические деформации более глубокие слои (рис. 2.20, а). распространения деформаций в местах контакта граничной смазке (а) и ИП (б): поверхностей и поэтому Защиту поверхностей от положительно заряженных которые образуются в кислорода к сервовитной выхода электрона и результате создается препятствуют выходу дислокаций слоя и его разрушение. многократно деформироваться пленок дислокации в ней пленка еще и пориста, отсутствие окисления при трибодеструкции может образовываться ряд диск, подвергнутый покрывался темным мм, был установлен в стальных образца при поверхностях трения меди. Пленка оксида Химическим путем в продуктах муравьиный альдегид и восстанавливают оксид меди. поверхностно-активные возможность пластификации снижения сил трения в трении окисные пленки ПАВ) к металлу, чем деформации участков местах контакта при 1 – сталь; 2 – бронза; 3 – пластической деформации При ИП оксидные пленки реализуется в полной мере пленка; подповерхностные 2.20, б). Поскольку молекулы исключается скольжение вакансионного механизма, трение и изнашивание. 2.8.5. Перенос частиц удержание их в Продуктами износа при основном окислы, которые не из зоны трения и, перемещаясь оказывают на них абразивное Поэтому конструкторы принять все меры по удалению смазочной системы. Рис . 2.21. Схема движения 1 – сталь; 2 – бронза; 3 – окисные При наличии на поверхностях износа состоят из меди и других активна, поэтому частицы частицы (мицеллы) имеют сосредотачиваются в зазоре переноситься с одной поверхности вызывая повреждения этих поверхн При ИП процессы схватывания не являются вредными, как образующиеся ПАВ диспергирования. Адсорбируясь образуют устойчивую дисперсную 60 окисные пленки; 4 – сервовитные пленки деформации оксидные пленки отсутствуют и действие эффекта мере, в результате деформируется лишь подповерхностные слои металла деформации не претерпевают молекулы ПАВ находятся в порах сервовитной скольжение и внутри пленки по принципу механизма, но с малыми затратами энергии. частиц с одной поверхности трения удержание их в зоне контакта износа при трении в условиях граничной смазки которые не имеют электрического заряда, свободно перемещаясь между контактирующими абразивное действие (рис. 2.21, а). конструкторы и специалисты по эксплуатации машин удалению продуктов износа из зоны контакта движения частиц износа в гоне контакта при смазке (а) и ИП (б). окисные пленки; 4 – сервовитные пленки на поверхностях трения сервовитной пленки меди и других металлов; их поверхность пориста частицы покрываются адсорбционным сл имеют электрический заряд и под зазоре (рис. 2.21, б). Кроме того, при ИП одной поверхности трения на другую (схватываться этих поверхностей. процессы схватывания материала сервовитной пленки вредными, как при обычном трении. В начальной ПАВ интенсифицируют процесс Адсорбируясь на диспергированных частицах устойчивую дисперсную систему (создание мицелл сервовитные пленки; 5 – места действие эффекта Ребиндера деформируется лишь сервовитная не претерпевают (рис. сервовитной пленки, не принципу диффузионно- энергии. Все это снижает трения на другую и граничной смазки являются в заряда, свободно уносятся контактирующими поверхностями, эксплуатации машин стараются зоны контакта и всей контакта при граничной пленки сервовитной пленки продукты поверхность пориста и весьма адсорбционным слоем ПАВ. Такие под действием его при ИП частицы могут другую (схватываться), не сервовитной пленки с основой начальной стадии ИП процесс поверхностного диспергированных частицах, ПАВ создание мицелл). Этому 61 способствуют процессы полимеризации, поликонденсации и трибодеструкции. Благодаря разности потенциалов между зоной контакта и остальной поверхностью мицеллы будут иметь направленное движение в зону контакта (электрофорез), где разряжаясь, будут создавать медный слой ‒ сервовитную пленку. Так как мицеллы – это электрически заряженные частицы, имеющие слои адсорбированных молекул ПАВ, то остаточный после разрядки их заряд способен вызвать между сопряженными пленками кулоновские силы отталкивания. Снижению адгезии будет способствовать также то, что молекулы ПАВ расположены в мицелле радиально, и при нагружении их взаимодействие с подложкой будет значительно слабее, чем если бы они располагались по плоскости. Электрофорез компенсирует потерю диспергированных частиц пленки, возвращая их в зону контакта. Это относится к частицам коллоидного размера, которые в установившемся режиме составляют основную массу частиц. Важным случаем является перенос ионов и более крупных заряженных частиц к месту фрикционного контакта в электрохимическом процессе между зоной контакта и остальными поверхностями (иногда даже не участвующими в трении). Это относится ко всем электропроводным смазочным материалам — растворам кислот, солей, а также к углеводородам, содержащим электропроводные добавки. Сюда же относится и осаждение частиц меди в зоне фрикционного контакта, переносимых в смазочной системе холодильников потоком фреона из мест слабого коррозионного растворения материала медных трубок в системе охлаждения. Приведем еще один пример переноса меди и ее осаждения на поверхности трения уплотнительных колец, используемых в химическом оборудовании. Поверхности трения уплотнительных колец, изготовленных из коррозионно- стойких сталей 14Х17Н2, 12Х18Н10Т и др., при смазывании раствором серной кислоты в процессе работы покрывались пленкой меди. Пленка меди формировалась из ионов меди, находящихся в растворе серной кислоты. Ионы же меди в серную кислоту "поставляли" детали, находящиеся в контакте с серной кислотой, не участвующие в трении, но содержащие небольшое количество меди (могут быть даже примеси). Работа выполнена Б.Д. Воронковым. На рис. 2.22 показано одно из колец торцевого уплотнения, изготовленного из твердого сплава ВК-6, рабочая поверхность которого покрыта тонкой пленкой меди, образовавшейся при трении кольца в 5 %-ном растворе серной кислоты. В данном случае в начале работы торцевого уплотнения ни в кольцах, ни в смазочной среде меди не было. Ионы меди в растворе серной кислоты появились после растворения в кислоте стальной детали, крепившей одно из уплотнительных колец. В специального легирования Рис . 2.22. Кольцо торцевого 1 – кольцо; 2 – поверхность 2.8.6. Образование продуктов на поверхности Для повышения несущей смазочный материал вводят спирта многоосновной кислоты полимеризуются и создают слой, предотвращающий их граничного трения такая пленка (будучи инактивной) препятствует (рис. 2.23, а). Рис . 2.23. Схема контакта специальными присадками 1 – сталь; 2 – бронза; 3 полимерные пленки При ИП окисные пленки мощным катализатором полимеризации свободных радикалов органических трибодеструкции смазочного полимерная пленка предотвращает поверхностей и снижает пиковые 62 колец. В этой детали медь находилась как легирования. Кольцо торцевого уплотнения из твердого сплава поверхность трения; 3 – пятна меди (по Б.Д. Воронкову Образование продуктов полимеризации смазочного поверхности сервовитной пленки несущей способности смазочной пленки вводят специальные добавки (например, смесь многоосновной кислоты и полиамидов), которые создают на поверхностях трения дополнительный предотвращающий их от непосредственного контакта. Однако такая пленка образуется с трудом, так как оксидная препятствует реакции поликонденсации и контакта деталей при наличии смазочного присадками при граничной смазке (а бронза; 3 – окисные пленки; 4 – сервовитные окисные пленки отсутствуют, и сервовитная катализатором полимеризации. Полимерная пленка органических веществ, которые возникают смазочного материала (рис. 2.23, б). предотвращает непосредственный контакт снижает пиковые давления. находилась как примесь, без твердого сплава ВКВ: Воронкову) смазочного материала пленки при трении в например, смесь метилового которые при трении дополнительный защитный контакта. Однако в условиях как оксидная пленка поликонденсации и полимеризации смазочного материала со а ) и ИП (б): сервовитные пленки; 5 – сервовитная пленка является пленка образуется из возникают в процессе б). Образовавшаяся контакт металлических Ранее было отмечено глицерина в результате происходить образование высокомолекулярных трения. Образующийся каркас рассмотренные факторы, снижающие того, в случае полимерного консистенцию, коэффициент трения. И, как известно, дублирование из основных положений дублирует сервовитную. 2.8.7. Защита поверхностей Водородное изнашивание первых мест среди всех видов трения как продукт разложения материалов, смазочно-охлаждающих контакта полимеров. Водород способствует образованию дефектах решетки и, в конечном слоя детали (рис. 2.24). возникает своеобразная размерами, чем атомы, не поступлению новых атомов Рис . 2.24. Схема движения 1 – сталь; 2 – бронза; 3 их молизация; 5 –сервовитные Возникшие напряжения вызывают разрушение поверхностного как правило, сопровождает изнашивания, фреттинг-коррозию Поскольку изучение водородного защиты от него для многих эффективной защитой является 63 отмечено, что при трении пары бронза результате химических превращений последнего образование высокомолекулярных соединений, а также Образующийся каркас из полимерных молекул дополняе факторы, снижающие трение и износ деталей полимерного образования, имеющего коэффициент трения близок к коэффициенту известно, дублирование механических операций положений теории надежности. Здесь полимерная |