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. 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.
Молекулы смазочного материала ориентируются перпендикулярно к твердой поверхности, что позволяет представить для наглядности граничную пленку в виде ворса. При взаимном перемещении поверхностей трения «ворсинки» как бы изгибаются в противоположные стороны.
Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенционном 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.
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. Это вызывает дополнительное сопротивление движению.
Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, что сообщает смазочной пленке свойство «самозалечиваться» при местных ее продвижениях. Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания. Добавление в граничные слои смазочного материала и водных растворов поверхностно – активных веществ повышает толщину граничного слоя и способствует уменьшению износа до 2 раз.
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 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 эти элементы в разных сочетаниях. 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.
Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Пленка оказывает слабое сопротивление срезу, срабатывается и восстанавливается вновь.
Очевидно, действие присадок неэффективно, если металл не вступает в реакцию с активной частью присадки. Например, платина и серебро не вступают в реакцию с серой. Таким образом, исследования по изучению физических и химических процессов в зоне трения являются важными и перспективными.