Влияние смазочных материалов на процесс трения и изнашивания

№78-1,

технические науки

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины. 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.

Похожие материалы

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины. 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 [2]. 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 неработающих 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. В связи с этим 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 [6].

Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса [5]. При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны. На самом деле происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком состоянии несколько повышено.

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 к сжатию: ее несущая поверхность исчисляется десятками тысяч килограммов на 1 кв.см. Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале не выходит за пределы упругости [1].

Механизм трения при граничной смазке представляется в следующем виде. Под нагрузкой происходят упругая и 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 местах с высокими местными температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках [5]. Это вызывает дополнительное сопротивление движению.

Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечивания». Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания. Не возобновляемая граничная пленка по мере возрастания пути трения изнашивается, масло из пленки адсорбируется на продукты изнашивания и уносится с поверхности трения; происходит сублимация пленки 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 разное смазывающее действие. Добавление в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно — активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа до 2 раз [7].

Эффективность смазочного материала помимо факторов адсорбции зависит от химического взаимодействия металла. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют мыла, т.е. металлические слои жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации. Химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазочного действия. Это подтверждается тем, 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.

В связи с невысокой термической стойкости 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 эти элементы в разных сочетаниях. Вводят также мышьяк и сурьму. Хотя эти присадки прочно адсорбируются на поверхности трения, однако им отводится в процессе трения другая роль. В условиях высоких температур на микроконтактах активная часть присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфата железа, хлористого железа или окисленных хлоридов т.д. [5].

Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.

У сульфидов температура плавления выше, чем у хлорированных углеводородов, и смазывающая способность сохраняется до температуры 800 0С. Ниже критической температуры пленка ведет себя как твердый смазочный материал.

Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не вступают в реакцию с серой [1].

Список литературы

  1. Адлер, Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер [и др.]. – М.: Наука, 1976. – 279 с.
  2. Айвазян, С.А. Статистическое исследование зависимостей /С.А. Айвазян. – М.: Металлургия, 1966.
  3. Алехин, В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев металлов / В.П. Алехин. – М.: Изд. Наука, 1983. – 280 с.
  4. Анурьев, В.И. Справочник конструктора – машиностроителя / В.И. Ануфриев: В 3-х. т. Т.1. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1982. – 736 с.
  5. Ахматов, А.С. Молекулярная физика граничного трения /А.С. Астахов. – М.: Физматгиз, 1963. – 472 с.
  6. Белый, В.А., Свириденок А.И., Петроковец М.И. [и др.] Трение и износ материалов на основе полимеров /В.А. Белый [и др.]. – Минск: Наука и техника, 1976. – 430 с.
  7. Белый, В.А. Роль структуры поверхностных слоев в процессе внешнего трения полимерных материало В.А. белый. – Минск: Наука и техника, 1989.
  8. Боден, Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка / Ф.П. Боден, Д. Тейбор / перевод с англ. под ред. И.В. Крагельского. – М.: Машиностроение, 1960. – 151 с.
  9. Бондюгин, В.М., Быченков В.В. Ответы на вопросы по триботехнике /В.М. Бондюгин, В.В. Быченков // Эффект безызносности и триботехнологии. – 1992. – № 1. – С. 67–69.