Трение при наличии смазочного материала в зоне контакта поверхностей

При граничной смазке поверхности сопряженных тел разделены слоем смазочного материала весьма малой толщины (от толщины молекулы до 0,1 мкм). 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.

Почти все смазочные масла образуют на металлических поверхностях граничную фазу упорядоченную квазикрасталлической 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 ориентированная структура масла превращается в неориентированную 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, т.е. происходит сдвиг с перекосом квазикристаллической структуры пленки. Сопротивление ее скольжению в таком случае несколько повышено.

Смазочный материал в граничном слое анизотропен, в тангенциальном направлении молекулярные слои легко изгибаются и при определенной толщине слоя скользят друг по другу. По нормали к твердой поверхности пленка обладает высоким сопротивлением сжатию, достигающим десятки тысяч килограммов на 1см². Деформация сжатия пленки в довольно высоком интервале давлений не выходит за пределы упругости.

Механизм трения при граничной смазке может быть представлен в следующем виде. Под нагрузкой происходит упругая и пластическая деформации на площадках контакта, под которыми понимают площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной пленкой смазочного материала, включая мономолекулярные слои. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной пленки. Сопротивление движению складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися в них объемами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнутых наиболее значительной пластической деформации, и в местах с высокими температурами может произойти разрушение смазочной пленки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватыванию металлов на микроучастках фактического контакта. 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 повреждениях. Это свойство смазочной пленки играет большую роль в предупреждениях лавинного процесса схватывания.

Вязкость масла не влияет на процесс граничной смазки. Масла с одинаковой вязкостью, но разных марок имеют различное 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).

Эффективность смазочного действия помимо фактора адсорбации зависит от химического взаимодействия металла и смазочного материала. Жирные кислоты, вступая в реакцию с металлом поверхности, образуют мыла - металлические соли жирных кислот, способные вследствие свойственной им высокой когезии выдерживать без разрушения значительные деформации. Поэтому химическим явлениям принадлежит важная роль в организации смазывающего действия. Инертные металлы и стекло плохо смазываются. Косвенно доказано, что между металлом и углеводородными маслами протекают реакции, способствующие более прочной связи пленки с основанием. Так, силиконовая жидкость, имеющая высокую вязкость, но не являющаяся активной к металлу и не образующая поэтому защитной пленки на металлической поверхности, не может быть использована в качестве смазочного материала в подшипниках скольжения.

К недостатку граничной пленки относится её невысокая термическая стойкость. Иногда прибегают к искусственному повышению химической активности граничной пленки. Этого достигают путем введения в масла специальных добавок, называемых присадками, содержащими органические соединения серы, фосфора, хлора или их сочетания. Вводят также мышьяк и сурьму. Хотя эти присадки и прочно адсорбируют на поверхности трения, однако им отводится в процессе другая роль. В условиях высоких температур на микроконтактах активная часть присадок разлагается и, взаимодействуя с металлическими поверхностями, образует пленки сульфида железа, фосфита или фосфата железа, хлористого железа, окисленных хлоридов и т.п. Образовавшиеся пленки предотвращают металлический контакт, понижают сопротивление трению, препятствуют дальнейшему локальному повышению температуры. Эти пленки оказывает слабое сопротивление срезу, срабатываются и восстанавливаются вновь.

Пленка, образуемая на поверхности стали хлорированными углеводородами, работоспособна до температуры 400°C. Выше этой температуры происходит плавление и (или) разложение. У сульфидов температура плавления выше, поэтому смазывающая способность сохраняется до температуры 800°C. Ниже критической температуры такая пленка ведет себя как твердый смазочный материал.

Существуют некоторые твердые тела, которые могут производить смазочное действие, организуя и поддерживая режим трения при граничной смазке.

Из вышесказанного следует, что граничная пленка должна обладать высоким сопротивлением продавливанию, обеспечивающим достаточную несущую способность сопряжения, и низким сопротивлением срезу, позволяющим получить минимальные потери на трение. К твердым смазочным материалам можно отнести некоторые тела слоисто-решетчатой, пластичной структуры, мягкие металлы и тонкие пленки полимеров.

Из тел слоисто-решетчатой структуры необходимыми для смазывания металлических поверхностей свойствами обладает графит, дисульфид молибдена, сульфид серебра, пористый свинец и дисульфид вольфрама. Рассмотрим механизм смазочного действия графита и дисульфида молибдена, смазочное действие которого в общем аналогично и для других тел подобной структуры.

В кристаллической решетке графита атому углерода расположены в параллельных слоях, отстоящих один от другого на расстоянии 0,34 нм, а в каждом слое они размещаются в вершинах правильных шестиугольников с длиной стороны 0,14 нм (рис. 9). Так как силы взаимодействия между атомами тем меньше, чем больше расстояние между ними, то связи между атомами в слоях значительно прочнее, чем между слоями (сильные и слабые связи).

Рис. 9. Кристаллическая структура графита

Однако смазочное действие графита объясняется не только его слоистой структурой, но и наличием пленок газов и других адсорбированных веществ. Так, сила трения при смазывании графитом в сухом воздухе выше, чем во влажном; сила трения в атмосфере азота значительно выше, чем в воздухе, причем в сухом азоте выше, чем во влажном, графит не обладает хорошей смазочной способностью в восстановительной среде газов. Т.е. наличие пленки влаги или окисных пленок является необходимым условием для проявления графитом его смазочного действия.

Кристаллическая решетка дисульфида молибдена подобна решетке графита: между атомами молибдена и серы имеются тесные связи, в то время как расстояние между слоями атомов серы относительно больше. Дисульфид молибдена можно использовать как смазочный материал при температурах до -50°C и в вакууме, а при температуре 538°C он превращается в триокись молибдена, являющуюся абразивом.

Кроме тел слоисто-решетчатой структуры, все остальные твердые смазочные материалы образуют граничный слой с необходимыми качествами по сопротивлению сжатию и сдвигу (срезу), но не имеющий строго ориентированной структуры. Твердыми смазочными материалами могут быть мягкие металлы, имеющие низкое сопротивление срезу в диапазоне рабочих температур. Для смазывания используют твердые пленки свинца, олова и индия.

Из мягких металлов используют только те, в которых наклеп не происходит в пределах рабочих температур и не образуются хрупкие твердые растворы с металлами сопряженных тел. Во избежание наклепа металла его рабочая температура должна быть выше температуры кристаллизации. У олова, свинца и индия температура кристаллизации ниже комнатной. Следует учитывать, что олово, хорошо работающее как твердый смазочный материал (например, между чугунными поверхностями), непригодно для нанесения на свинцовистую бронзу, так как диффундирует с поверхности в основу бронзы, образуя твердые кристаллы, выкрашивающиеся из рабочей поверхности частицы. Индий при нагреве диффундирует в бронзу, соединяясь со свинцом, однако не образует хрупких соединений.

Смазывание узлов трения металлом может быть осуществлено при использовании избирательного переноса и организации безыносного трения. В этом случае сила трения может быть уменьшена в несколько раз, а износ полностью устранен. Здесь действуют иные силы и принципы: электрические силы, удерживающие пленку в зазоре, отсутствуют микронеровности поверхности, которые утапливаются в пленке, и т.д. Смазочный материал как бы транспортирует металл в зону трения, участвует в физико-химических процессах на поверхности контакта при образовании металлической пленки. Углеводородная составляющая смазочного материала охлаждает узлы трения и защищает их от коррозии. Трение при избирательном переносе по многим принципиальным признакам отличается от трения при граничной смазке, что позволяет характеризовать его как новый вид трения.

Некоторые материалы вследствие обычного металлургического процесса их производства (плавки в доменных печах и других агрегатах)или искусственного пропитывания содержат вещества, способные служить твердым смазочным материалом. Так, на приработанной поверхности конструкционного чугуна входящий в его состав графит размазывается, образуя граничный слой. Такой же слой создается на поверхностях деталей, из пористых антифрикционных материалов, пропитанных минеральными маслами, графитом и дисульфидом молибдена. В качестве граничного смазочного материала можно рассматривать политетрафторэтилен (фторопласт), которым пропитывают пористые подшипниковые металлы. Твердая медная основа бронзы, содержащей свинец, при участии такой детали в трении скольжения покрывается тонкой пленкой свинца. Эта пленка по мере изнашивания сплава возобновляется. Дорожки качения и тела качения подшипника, работающего при температуре выше 300°C, покрывают иногда серебром для предохранения от окисления и для использования смазочного материала.

Раздел 6

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: