Физические основы эффекта безызносности и его применение в узлах трения

В середине 50-х г.г. прошлого века при исследовании технического состояния узлов трения самолета ИЛ на разных этапах его эксплуатации Д.Н.Гаркуновым и И.В.Крагельским было обнаружено явление самопроизвольного образования тонкой пленки меди на поверхностях деталей тяжелонагруженных узлов в паре трения сталь — бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью, получившее впоследствии название избирательного переноса. Пленка меди толщиной 1—2 мкм в процессе трения покрывала как бронзу, так и сталь. Она резко снижала интенсивность изнашивания пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Обнаруженное явление переноса меди из твердого раствора медного сплава на сталь и обратного её переноса сопровождается уменьшением коэффиициента трения до значения такового при жидкостном трении и приводит практически к безызносности. Почти в то же время подобное явление было обнаружено в парах трения сталь — бронза при использовании смазки ЦИАТИМ-201 (в шарнирно-болтовых соединениях самолетов), а также в паре сталь — сталь в узлах трения компрессора домашнего холодильника при смазывании маслофреоновой смесью.

В начальный момент трения происходит диспергирование верхних слоев пары трения с образованием тонкодисперсных частиц металла и его окислы. Взаимодействуя со средой и с активными металлами окисленные формы меди восстанавливаются до свободной меди, а активные металлы с глицерином образуют химические соединения. В дальнейшем при установившемся режиме контактирующие поверхности покрываются тонкой пластичной пленкой меди, которая резко увеличивает фактическую площадь контакта (более чем в 10 раз). Это способствует увеличению долговечности узлов трения.

Исследования показали, что медная пленка в паре бронза — сталь образуется в результате анодного растворения бронзы, при этом легирующие элементы цинк, олово, алюминий, железо уходят в смазочный материал, и поверхность обогащается медью. После того как поверхность бронзы и стали покроется медью, растворение прекращается, устанавливается режим избирательного переноса. В узлах трения компрессора домашнего холодильника медная пленка на поверхностях трения в паре сталь — сталь возникла в результате растворения поверхностных слоев медных трубок охладителя компрессора. Ионы меди, поступая в масляно-фреоновую смесь, двигались в зону контакта, где формировалась защитная медная пленка. Благодаря этому компрессоры холодильников работают без ремонта десятки лет.

В течение длительного времени главным направлением борьбы с изнашиванием и уменьшением силы трения было повышение твердости поверхности трения сопрягаемых деталей. Однако такие методы перестали себя оправдывать, поскольку фактическая площадь контакта с ростом твердости уменьшается. В результате неизбежных перекосов деталей при эксплуатации увеличивается возможность их заедания или роста интенсивности изнашивания.

В поисках новых путей повышения износостойкости деталей машин обратились к живой природе. Анализ нагруженных подвижных сочленений показал, что имеется всего два типа узлов трения - открытые и закрытые. В открытых узлах трения работает твердый материал по твердому - это зубы животных. Закрытые узлы трения — суставы живых организмов: здесь кость покрыта мягким хрящом, на поверхности которого имеется тонкая подвижная полимерная пленка, т.е. в суставе в паре трения работают два одинаковых материала, причем мягкий по мягкому. Подобные пары трения у живых организмов являются универсальными узлами, обладающими «безызносностью». Известно, что биологические системы обладают способностью к самовосстановлению и могут работать десятки лет без износа. Долгое время существовало противоречие законов развития живой и неживой природы. Основной закон термодинамики Клаузиуса предсказывает рост энтропии, т. е. беспорядка в замкнутой системе. Эволюционная теория Дарвина, наоборот, устанавливает, что в основе отбора лежит повышение степени организованности биологических систем. Однако в последние десятилетия биологическая эволюция стала рассматриваться с кибернетических позиций и понятий автоматического регулирования и обратной связи, что в значительной степени сблизило эти два основных закона развития мира. Помимо сказанного основную роль в указанном сближении следует отвести спонтанному формированию структур в открытых системах на молекулярном уровне. Сейчас установлено, что в открытых системах, которые постоянно получают из внешней среды отрицательную энтропию и вещество, могут возникать стационарные неравновесные состояния с высокой степенью упорядоченности. В соответствии с термодинамикой неравновесных процессов новые структуры могут возникать в природе в тех случаях, когда выполняются следующие четыре необходимых условия:

1) система является термодинамически открытой, т. е. может обмениваться веществом и (или) энергией со средой;

2) динамические уравнения системы нелинейны;

3) отклонение от равновесия превышает критическое значение;

4) микроскопические процессы происходят согласованно.

Второй закон термодинамики связан с первым условием: в системах, способных к формированию структур, он проявляется в более общем виде. Второе и третье условия указывают, что нужно перейти от привычных линейных физических представлений в нелинейную область, где при определенных условиях упорядочение может произойти самопроизвольно. Четвертое условие отражает причинность образования процессов, идущих на микроскопическом уровне, при наличии особых связей, которые ведут к спонтанному возникновению структур.

В некоторых явлениях неживой природы явно отсутствуют какие-либо признаки самоорганизации, наблюдается распад системы и увеличение энтропии. Так, кусок обычного сахара, выставленный на воздух, через некоторое время испаряется, исчезает. Обратного явления не происходит, сахар «из ничего» не образуется. След самолета в небе из сконденсированных паров воды также вскоре пропадает.

Но вот другие примеры. При определенных условиях из паров воды, находящихся в воздухе, образуются снежинки. Они имеют правильную форму и по структуре более высокую организацию, чем обычный пар. Из расплавов металлов или растворов солей образуются кристаллы. Это примеры самоорганизации неживой природы.

Самоорганизация существует лишь при определенных внутренних и внешних условиях. Вместе с тем это свойство не связано с каким-то особым классом веществ. Узел трения в неживой природе также удовлетворяет требованиям самоорганизации. Он представляет собой открытую систему. К нему подводится энергия от электродвигателя или от двигателя внутреннего сгорания. Как правило, узлы трения смазываются. Смазочный материал состоит из множества одинаковых элементов - молекул. В нем могут быть также мицеллы, ионы металлов. Все это создает условия для самоорганизации новых структур.

До недавнего времени полагали, что трение является разрушительным процессом. Обратное утверждение считалось абсурдом, как и создание узла трения, который бы не изнашивался. Однако природа позаботилась и о машинах. Одним из примеров самоорганизации неживой материи может служить узел трения компрессора бытового холодильника. Компрессор холодильника работает десятки лет в тяжелых условиях при постоянных пусках и остановках практически без износа. Сопрягающиеся детали выполнены из стали, смазочным материалом служит смесь масла и фреона (в пропорции 50:50). В процессе работы на шейках коленчатого вала (шатунной и коренных), сопряженных подшипниках, поршне и цилиндре - самопроизвольно образуется тонкая медная пленка толщиной 1-2 мкм. Пленка формируется из ионов меди, обра­зующихся в смазочном материале в результате незначительного растворения медных трубок охладителя. К месту контакта деталей трения ионы приносит охлаждающая смесь, являющаяся также смазочным материалом.

Активность масляно-фреоновой смеси по отношению к медным трубкам охладителя повышается в результате образования в зоне трения при начальной работе компрессора слабых кислот, поскольку происходит окисление масла. После того как в зоне контакта образуется пленка меди, условия трения деталей изменяются: снижается давление, уменьшается сила трения и падает температура. Процессы, в результате которых образуется пленка меди (окисление масла и растворение трубок), могут прекратиться. Таким образом, можно отметить следующие взаимообусловленные явления, происходящие в смазочной системе компрессора и на поверхностях трения деталей. В начальный период в паре трения сталь-сталь смазочный материал окисляется; образующиеся кислоты растворяют поверхностные слои медных трубок и доставляют в смазочную систему ионы меди; последние, циркулируя в смазочной системе, осаждаются на поверхности деталей только в зоне трения; в результате образуется тонкая пленка меди, покрывающая поверхности трения. В установившемся режиме, после того как поверхности трения покроются пленкой меди, пара трения сталь-сталь заменяется парой медь-медь; это приводит к снижению интенсивности окисления масляно-фреоновой смеси, прекращается растворение трубок. В случае нарушения сплошности медной пленки режим работы сопряжения становится более тяжелым, что вызывает усиление окислительных процессов в смазочном материале и, как следствие, растворение ионов меди трубок и так называемое «залечивание» поврежденной поверхности. Причем такой автоматизм защиты поверхностей трения от изнашивания обеспечивает длительную безызносную работу компрессора.

В установившемся режиме трения медная пленка не разрушается. Она может переходить с одной поверхности трения на другую. Продукты изнашивания удерживаются в зазоре электрическими силами.

Таким образом можно утверждать, что трение сопровождается эволюционными процессами, в результате которых разрушение поверхностей становится второстепенным. Главным выступает созидательный характер трения, который обусловлен обменом узла трения с внешней средой энергией и веществом, а также кооперативным поведением ионов меди, из которых формируется медная пленка, защищающая поверхности трения от изнашивания.

Металлическую защитную пленку, образующуюся в процессе трения, называют сервовитной (от лат. servo-witte — спасать жизнь). Она представляет собой вещество (в данном случае металл), образованное потоком энергии и существующее в процессе трения. Трение не может уничтожить пленку, оно ее создает. Образование защитной пленки относится к новому классу самоорганизующихся явлений неживой природы.

При деформировании сервовитная пленка не разрушается и не подвергается усталостному разрушению. Она воспринимает все нагрузки, покрывая шероховатости поверхностей трения стальных деталей, которые практически не участвуют в процессе трения. В этих условиях мягкий материал работает по мягкому. Нагрузка распределяется равномерно по поверхности трения, поэтому на единицу площади она незначительна. Это способствует продлению ресурса узла трения. Сравнение величины деформаций в местах контакта приведено на рис. 14.

Рис. 14. Схема распространения деформаций в местах контакта при граничной смазке (а) и избирательном переносе (б): 1 - сталь; 2 - бронза; 3 - окисные пленки; 4 - сервовитные пленки; 5 - места деформации

В зависимости от вида материалов, участвующих в работе пары трения, и условий трения механизм формирования сервовитной пленки на поверхностях трения может быть различным.

- Формирование пленки в паре трения бронза-сталь при смазывании глицерином. Глицерин является модельной жидкостью, которая легче других реализует режим избирательного переноса при трении пары бронза-сталь (схема контакта деталей показана на рис. 15).

Рис. 15. Схема контакта деталей при граничной смазке (а) и избирательном переносе (б): 1 - сталь; 2 - бронза; 3 - пленка меди

В первый период работы пары происходит растворение поверхности трения бронзы. Глицерин действует при трении как слабая кислота. Атомы легирующих элементов бронзы (олово, цинк, железо, алюминий и др.) уносятся в смазочный материал, в результате поверхность бронзы обогащается атомами меди. После этого деформация ее при трении вызывает диффузионный приток новых атомов легирующих элементов к поверхности, которые также уходят в смазочный материал. Таким образом, поверхностный слой бронзы освобождается от легирующих элементов и становится в основном медным. В нем образуется большое количество вакансий, часть из них соединяется, образуя поры, которые заполняются молекулами глицерина.

Поскольку глицерин является восстановителем окиси и закиси меди, поверхность трения медной пленки свободна от окисных пленок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В результате стальная поверхность постепенно покрывается тонким слоем меди. Слой меди, образующийся на бронзовой поверхности, утоняется вследствие его переноса на стальную поверхность, поэтому происходит дальнейшее растворение бронзы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока на стальной и бронзовой поверхностях не образуется слой меди толщиной 1-2 мкм.

Наступает установившийся режим избирательного переноса. В процессе приработки в случае ограниченного объема смазочного материала в нем могут образовываться мицеллы - частицы меди, окруженные плотным кольцом молекул смазочного материала. Мицеллы имеют заряд, что удерживает их в зазоре.

В рассмотренном механизме происходят и каталитические превращения. Поверхность меди при отсутствии окисной пленки может вызвать дегидрогенизацию спирта. В результате выделяется свободный водород, который активно участвует в процессе трения -восстанавливает окисные пленки на медном сплаве и стали, поддерживая процесс безокислительного трения. При температуре более 65°С увеличивается выделение водорода, и режим избирательного переноса (ИП) в паре бронза — сталь при смазывании глицерином переходит в водородное изнашивание.

- Сервовитная пленка может образовываться в узле трения сталь-сталь при работе с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании смазки ЦИАТИМ-201 с добавками порошков меди, бронзы или латуни, а также свинца в паре сталь-сталь поверхности деталей покрываются тонкой пленкой, состоящей из металлов применяемых порошков. В процессе работы порошки частично растворяются в смазочном материале и в результате восстановления окисных пленок прочно схватываются со сталью, образуя сервовитную пленку, которая содержит в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках уменьшается, причем стальные поверхности не изнашиваются. При трении сдвиг поверхностей трения происходит внутри образующихся пленок по диффузионно-вакансионному механизму. При хорошо восстанавливающихся свойствах смазочного материала можно для реализации ИП вводить закись или окись меди. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления окислов меди в процессе трения.

- Сервовитная пленка образуется на поверхности твердых составляющих сплава (твердого типа ВК) в результате механического выдавливания мягкой составляющей (медно-никелевой связки) и ее последующего растворения. Сплавы способны работать в одноименной паре. Такое сочетание материалов работоспособно только благодаря образованию сервовитной пленки, которая обеспечивает смазывание твердых составляющих порошковой композиции. Эти составляющие без пленки меди не выдерживают нагрузки, происходят задиры поверхностей.

- Сервовитная пленка может образоваться при трении политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласта), наполненного закисью меди, по стали при смазывании глицерином. Сервовитная пленка образуется в результате восстановления закиси меди до чистой меди. Стальная поверхность покрывается слоем меди.

- Сервовитная пленка меди была обнаружена на упорных подшипниках скольжения турбин и турбокомпрессоров. Подшипник состоит из упорного стального гребня, неподвижно закрепленного на вращающемся валу, и корпуса, внутри которого размещены по окружности плавающие подушки (сегменты), изготовленные из бронзы с наплавкой баббитового слоя. Такая конструкция, известная под названием подшипников А. Мичелла, применяется в упорных подшипниках скольжения.

Режим ИП используется для увеличения ресурса работы тяжелонагруженных опор качения, в узлах трения, работающих в условиях абразивного изнашивания. Так, для подшипников сервовитная пленка толщиной 0,5-1 мкм может увеличить даже при достаточно большой на­грузке площадь контакта в 1,5—2 раза, что отразится на их долговечности (рис. 16).

Рис. 16. Схема контакта ролика с кольцом подшипника при наличии сервовитной пленки (а) и без неё (б)

Раздел 11

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: