Поверхность трения при наличии смазки может состоять из нескольких слоев. Верхний слой представляет граничную пленку смазки, адсорбированную или хемосорбированную, под которой обычно располагается пленка оксида металла или другого химического соединения – сульфида, хлорида, фосфида. Под последней лежит тонкий слой разрыхленного материала основы. Эта прослойка должна иметь меньшее сдвиговое сопротивление, чем основной материал. Оксидные и хемосорбированные пленки предохраняют нижележащие слои от механического воздействия, однако вследствие малой толщины это защитное действие весьма невелико. Основное их влияние сказывается в экранировании молекулярного адгезионного взаимодействия между трущимися металлами. Силы сцепления при наличии пленок в несколько раз меньше, чем на чистых поверхностях и в большей степени зависят от природы образованных покровных пленок.
Решающую роль для многочисленных процессов трения и износа оказывает скорость восстановления нарушенных пленок различной природы, так как при трении практически всегда в микрозонах образуются металлические ювенильные поверхности.
Физико-химическая активность поверхностных слоев при трении значительно выше, чем на недеформируемом твердом теле. Температура определяет ход химических реакций в значительной степени. При трении появляются реактивные узлы кристаллической решетки, свободные радикалы и другие факторы, которые резко ускоряют физико-химические процессы. Образующиеся при трении ювенильные участки металла каталитически воздействуют на протекающие реакции и являются весьма реакционно способными. Химическая и каталитическая активность ювенильного металла связана с тем, что поверхностные ионы металла являются как бы ненасыщенными в электростатическом и валентном отношении; металлическая поверхность представляет собой потенциальный источник свободных электронов. Поэтому именно ювенильный металл главным образом подвергается химическому воздействию.
Важную роль в процессах трения и износа оказывает кислород. Взаимодействие кислорода с металлами зависит от сродства кислорода с металлами. Очень малым сродством к кислороду характеризуются благородные металлы. Наиболее широко применяемыми в узлах трения металлы – это медь, железо, олово, свинец и др. Они имеют слабое сродство к кислороду. Такие же металлы, как алюминий, титан и др., характеризуются большим сродством к кислороду. Оксиды их стабильны и плохо восстанавливаются.
Металлы, входящие в состав антифрикционных сплавов, обладают различным сродством к кислороду. Это обстоятельство с учетом разной скорости диффузии металла в сплаве и пленки оксидов обуславливает обогащение или обеднение пленки элементами, входящими в состав сплава. Так, сплавы меди разделяются на образующие защитную пленку в основном из оксидов легирующих элементов. Изменение химического состава оксидной пленки изменяет соответственно и ее физико – химические свойства.
Оксид и металл оказывают друг на друга механическое воздействие, так как в оксиде обычно возникают сжимающие напряжения, а металле – растягивающие. Наличие этих напряжений способствует отслаиванию оксидов по поверхности раздела. Время, необходимое для разрушения оксидной пленки, зависит от прочности ее сцепления с подложкой. Сцепление будет тем лучше, чем меньше отношение удельных объемов оксида и основного металла.
На процессы трения и изнашивания со смазками большое значение оказывает кислород, содержащийся в смазках. При наличии кислорода смазочное действие масел резко возрастает: уменьшается коэффициент трения, повышается нагрузка заедания. Расход кислорода на образование оксидных пленок непрерывно и легко восполняется благодаря переносу в зону трения растворенного в маслах молекулярного кислорода и окислению углеводородов, сопровождающемуся образованием нестойких кислородосодержащих производных. Это обеспечивает достаточно быструю и эффективную регенерацию оксидных слоев, предотвращающих заедание и схватывание металлических поверхностей. Оптимальные режимы трения могут быть достигнуты только при строго определенной концентрации кислорода в зоне трения. При тяжелых режимах трения в обычных смазках не хватает кислорода для регенерации оксидной пленки, и поэтому применяют присадки из других химических элементов, снижающих интенсивность процесса заедания (серу и хлор, по действию подобных кислороду) и повышающих нагрузочную способность (фосфорорганические соединения).
Скорость хемосорбционного взаимодействия кислорода с поверхностью металла значительно повышает скорость адсорбции ПАВ. Поэтому ПАВ не изменяет роли кислорода в процессах трения и износа. Эффекты адсорбционного пластифицирования и диспергирования обнаруживаются при отсутствии кислорода в зоне трения и оксидов на поверхности металла.
Действие химически активных по отношению к металлу добавок непрерывно возрастает с воздействием их концентрации в основной жидкости от полного насыщения их адсорбционного слоя на всех образующихся в металле поверхностях. При полном насыщении адсорбционного слоя действие этих добавок становится оптимальным (максимальным) и при дальнейшем возрастании концентрации или остается постоянным или даже уменьшается. Для высших жирных кислот и мыл эти оптимальные концентрации в минеральном масле, соответствующие полному насыщению мономолекулярного адсорбционного слоя на поверхности металла, составляют обычно от 0.1 до1 %.
Пленка металлического мыла – продукт химической реакции между жирной кислотой и металлом – способна без разрушения выдерживать значительные деформации, что приводит к резкому уменьшению металлического контакта поверхностей. По мере возрастания температуры, мыла размягчаются и теряют свои защитные свойства.
При хемосорбции в отличие от физической адсорбции происходит перенос электронов между адсорбентом и адсорбируемым веществом, выделяемая теплота сравнима с теплотой химических реакций, а энергия связи более чем на порядок выше. Хемосорбция в измеримой степени протекает только выше определенной минимальной температуры и должна иметь заметную энергию активации. Таким образом, защитные пленки, образующиеся на поверхностях трения за счет химических реакций, являются важным средством снижения трения и износа.