CC BY
227
УДК 621.892.8
Исследование механизма избирательного переноса при использовании металлоплакирующих пластичных смазок
Денисова Н.Е., Воячек Т. А.
Одним из путей снижения сил трения, интенсивности изнашивания и обеспечения необходимого уровня точности и надежности техники является использование открытого в 1956 году явления избирательного переноса, позволяющего во многих случаях добиться безызносности при работе узлов трения за счет образования систем автокомпенсации износа. Наиболее широко эффект безызносности может быть реализован применением металлоплакирующих смазочных материалов (МСМ). Первые сведения о них относятся к началу века, но широкое применение началось лишь в 60-х годах [1].
В настоящее время МСМ хорошо зарекомендовали себя при использовании в ряде узлов трения различных механизмов. Их эффективность значительно выше, чем у традиционно применяемых пластичных смазочных материалов. МСМ представляет собой смазочные материалы, содержащие в качестве антифрикционной добавки металлический порошок, создающий на поверхности трения слой мягкого металла. МСМ, содержащие
мелкодисперсные порошки металлов, обладают более высокими
противоизносыми и антифрикционными характеристиками, чем их основы. Рекомендовано использовать порошки дисперсностью 76 мкм. [Пат.2543741 (США)] и до 100мкм. [Ас.179409 (СССР)]. Отечественное производство металлоплакирующих смазок СМП-5 [Ас.179666 (СССР)], Силимол [Пат. 20655483 (РФ)], СМ-01-“Л” и СМ-02-“Л” предполагает использовать в их составе металлические порошки с размерами частиц до 30 мкм. Как правило, разработка смазочного материала для какого-либо конкретного механизма определяет и дисперсность порошка, которая связана прежде всего с конструктивными особенностями механизма (размер смазочных канавок, зазоров, точность сопряжений и т.п.). В связи с этим представляет интерес постановка исследований по применению сверхтонких порошков для улучшения триботехнических свойств смазочных материалов [6].
Осуществление контакта поверхностей трения через пластически деформируемый тонкий слой меди:
При обычном трении без смазочного материала, так и при наличии граничной смазочной пленки, детали контактируют на очень малой площади (0,01...0,0001% номинальной площади сопряженных поверхностей). При граничной смазке контакт сопряженных поверхностей происходит только в отдельных точках, а при избирательном переносе осуществляется через пластически деформируемый мягкий и тонкий слой меди. В результате, площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал испытывает лишь упругие деформации. В режиме избирательного переноса, поверхности трения самопроизвольно приобретают высокую гладкость (Rz=0,10...0,05 мкм.) благодаря растворению выступов шероховатости и
заполнению впадин пленкой. Большие площади контакта и, вследствие этого, низкие давления, почти исключают взаимное внедрение. Казалось бы, что увеличение площади контакта должно вызвать увеличение трения, однако этого не происходит. Наоборот, коэффициент трения снижается до тысячных долей
[3].
Система снижения давлений:
Снижение удельной нагрузки в условиях трения при граничной смазке является большой проблемой, т.к. ввиду очень малой площадки фактического контакта давления, даже при весьма низких нагрузках близки к давлениям пластического деформирования неровностей поверхности. В режиме избирательного переноса одновременно с образованием пленки происходит ее перенос на остальную поверхность, где она, заполняя углубления между выступами шероховатости, выравнивает профиль поверхности и снижает давление [4].
Предотвращение процесса окисления металла на поверхности трения:
При трении с граничной смазкой, трении без смазочного материала поверхности деталей всегда покрыты окисными пленками, которые, как известно, предотвращают контакт металлических поверхностей и их схватывание. Однако, окисные пленки хрупки и не способны многократно деформироваться. Поэтому они в процессе трения разрушаются в первую очередь. С повышением температуры в зоне трения, окисные пленки утолщаются, но при этом увеличивается объем их разрушения. В режиме избирательного переноса трение происходит без окисления поверхностей и поэтому не сопровождается образованием окисных пленок. Поверхности защищаются от окисления плотными слоями положительно заряженных адсорбированных поверхностно-активных веществ, которые образуются в процессе трения и предотвращают поступление кислорода [3].
Реализация эффекта Ребиндера:
Почти все смазочные материалы содержат ПАВ, что предопределяет возможность классификации поверхностных слоев материала деталей в результата эффекта Ребиндера и снижение сил трения между ними. При обычном трении окисные пленки препятствуют проникновению среды (и вместе с ней ПАВ) к металлу, чем снижают «эффект Ребиндера». В результате пластические деформации охватывают более глубокие слои. При избирательном переносе окисные пленки отсутствуют, поэтому действие эффекта Ребиндера реализуется в полной мере. Деформируется лишь сервовитная пленка, а поверхностные слои металла не деформируются. Поскольку молекулы ПАВ находятся в порах сервовитной пленки, не исключается скольжение и внутри пленки по принципу диффузно-вакансного механизма, но с малой затратой энергии. Все это значительно снижает трение и изнашивание [4].
Перенос частиц с одной поверхности на другую и удержание их в зоне контакта с электрическим полем: ■
Продуктами изнашивания при трении с граничной смазкой являются в основном окислы, которые не имеют электрического заряда, свободно уносятся из зоны трения и перемещаются между контактирующими поверхностями,
оказывая на них абразивное действие. Необходимо принимать меры для удаления продуктов изнашивания из смазочной системы.
При наличии на поверхности трения сервовитной пленки, продукты изнашивания состоят из частиц меди. Их поверхность пористая и очень активна, поэтому частицы (мицеллы) имеют электрический заряд и под действием его сосредоточиваются в зазорах. Кроме того, при избирательном переносе, частицы могут перемещаться с одной поверхности на другую и схватываться, не вызывая повреждения этих поверхностей [3].
Итак, выделим основные моменты, обуславливающие эффект
безызносности при избирательном переносе:
Отсутствие процесса образования а. следовательно, и разрушения окисных пленок на поверхности.
Пластифицирование поверхностного слоя до стадии «ожижения», что позволяет локализовать деформации сдвига в тонком слое.
Удержание электрически заряженных коллоидных частиц в зазоре силами электрического поля, что противодействует их уносу из зоны трения [4].
Заметим следующее:
- если в обычных процессах трения, схватывание является вредным, то при избирательном переносе в безызносных парах, схватывание обеспечивает перенос частиц с одной поверхности на другую и является полезным. Оно не увеличивает трения, благодаря «ожижению», и не вызывает повреждения сопряженных поверхностей;
- в процессах избирательного переноса смазка играет роль разрушающего агента, превращающего верхние слои в квазижидкое состояние;
- если всякое трение предполагалось с неизбежным износом, то безызносная пара, в принципе, может рассматриваться иначе: Даже изношенные поверхности могут быть восстановлены трением с применением металлоплакирующих смазок [4].
Увеличение удельной поверхности частиц при повышении степени диспергиования:
При измельчении тел увеличивается их удельная поверхность, которая может достигать значительных величин.
3
Рассмотрим увеличение удельной поверхности тела в объеме 1000мкм
2 5 з
(кубик со стороной 10 мкм). Участиц 3.42 • 10- (м ).
Рассмотрим два порядка частиц (будем считать их кубической формы)
1. Частицы порядка 1 мкм (ребро кубика) соответствуют частицам уже нашедшим применение в металлоплакирующих смазках.
«частицы = 6-(10-6)2 =6'10-12(м2); «общ =6-10'9 (м2).
3
N =1000 - количество частиц в 1000 мкм .
3 -12 2 3
Удельная площадь в 1 мкм = 6-10- (м/мкм ).
2. Частицы порядка 10А .
S„„, = 2,94-10-16 (м2 *);
N = 2,9-10-9, где N - количество частиц.
Удельная площадь в 1 мкм = 8,526-10" (м/мкм ).
Удельная площадь возросла на порядок в 1,4-105 * раз.
Следовательно, увеличится подача непосредственно масла в зону контакта, а также процесс взаимодействия частиц меди с ПАВ будет происходить более интенсивно.
Приращение энергии Гиббса
Поверхностные явления определяются значением приращения энергии Гиббса:
dG = -SdT+Vdp + ods + D^dn + 9dq
(1)
где G - энергия Гиббса; S - энтропия; T - температура; V - объем, р - давление, о - поверхностное натяжение; S - площадь поверхности; цг- - химический потенциал компонента i ; ni - число молей компонента i; ф - электрический потенциал; q - количество электричества.
Уравнение выражает приращение энергии Гиббса через алгебраическую сумму приращений других видов энергии. Превращение поверхностной энергии в один из представленных видов энергии отвечает определенным поверхностным явлениям. Стрелки указывают на пять возможных превращений поверхностной энергии, представленной на рисунке 1.
- в энергию Г иббса;
- в теплоту;
- в механическую энергию;
- в химическую энергию.
Рисунок 1 - Схема возможных превращений поверхностной энергии
Эти превращения сопровождают такие явления, как изменение реакционной способности с изменением дисперсии, адгезии и смачивание, капиллярность, адсорбция, электрические явления [2].
Зависимость термодинамической реакционной способности от дисперсности
Реакционная способность вещества определяется в термодинамике энергии Гиббса. Она характеризует способность вещества перейти в какое-то другое состояние (другую фазу).
Реакционная способность изменяется и при изменении дисперсности вещества. Соответствующее приращение энергии Гиббса (благодаря
изменению дисперсности) можно представить в виде объединенного уравнения первого и второго начала термодинамики
dGд =SdT + Vdp (2)
Для индивидуального вещества V = Vu (молярный объем) и при T = const , имеем
dGд = VMdp , (3)
где VM = V - молярный объем меди; приращение давления в зоне контакта; S - энтропия системы поверхности частиц.
Подставляя это уравнение (3) в соотношение Лапласа получим
до д
oV
М
dS_
dV
или ДОд = 2о VM / r,
где r - радиус частиц сферической формы; о - поверхностное натяжение (удельная поверхностная энергия).
Медь (жидкое) - 1270^ 103 Дж / м2.
Медь (тверд) - 1430^ 103 Дж / м2.
Уравнение показывает, что приращение физико-химической реакционной способности, обусловленное изменением дисперсности, пропорциональное кривизне поверхности, т.е., чем меньше г, тем на большее AG^, возрастает реакционная способность [2].
Влияние дисперсности на температуру фазового перехода.
С изменением дисперсности вещества меняется температура фазового перехода. Количественная взаимосвязь между температурой фазового перехода и дисперсностью вытекает из термодинамических соотношений При p = const имеем: dОд = - SdT или АОд = - SAT
Для фазового перехода АТ = Тд - Тда,
где ТД - температура вещества в дисперсном состоянии для фазового перехода; Тда - температура фазового перехода вещества в
недиспергированном состоянии. Из предыдущих формул получим:
ds
- SDT = Vмо —, м dV
AS = АЯф.п / Тда - изменение энтропии, соответствующей фазовому переходу.
Здесь АН ф.п - энтальпия фазового перехода.
DT T^ - T
Д
sV
м
ds
T
T¥
ДНф.п. dV
ds
- зависит от формы частиц.
dV
T - T
Д
T
2oVM
DHф.п. • r
(для сферических частиц).
Из этого уравнения видно, что с уменьшением размера частиц температура плавления и испарения частиц уменьшается [2].
П Р И М Е Р: для серебра Тда = 1233 К
Тд = 593 К,
Частицы взяты кубической формы с r = 20- 10-9 м.
Выше мы обосновали рост реакционной и пластифицирующей способности вещества от степени диспергирования. Теперь рассмотрим, что дают эти свойства при адгезии.
Различают адгезию между двумя жидкостями, между жидкостью и твердым телом и между твердыми телами. В то же время адгезия между двумя телами почти всегда способствует предварительному переходу хотя бы одной из форм в жидкое состояние для увеличения интенсивности молекулярнокинетического движения и осуществления необходимого контакта. Этот процесс наиболее вероятен в связи с приобретением наполнителем (Си) вышеуказанных свойств [5].
Процесс адгезии будем рассматривать как базовый для образования устойчивой сервовитной пленки.
Рассмотрим механизм адгезии с учетом особого фазового состояния
меди.
На первой, так называемой транспортной стадии, происходит перемещение молекул меди к поверхности (в нашем случае стали) и их определенное ориентирование в межфазном слое, в результате чего обеспечивается тесный контакт между молекулами и функциональными группами молекул адгезии субстрата. Протеканию первой стадии процесса адгезии способствует повышение температуры и давления, а также перевод одной из фаз (обычно, адгезива) в жидкое состояние с помощью растворения (действие ПАВ) или плавления, Вторая стадия адгезии состоит в непосредственном взаимодействии адгезива и субстрата, которое может быть обусловлено различными силами - от Ван-дер-ваальсовых до химических. Рассмотрение процесса адгезии позволяет делать вывод, что между жидкостями или жидкостью и твердым телом может быть достигнута максимально возможная адгезия, так как в этом случае обеспечивается полный контакт между поверхностями. Максимальная адгезия твердых тел практически не достижима из-за неровности их поверхностей, соприкосновение которых происходит только в отдельных точках. Механическая адгезия осуществляется путем затекания в поры и трещины поверхности твердого тела (квазижидкого) адгезива, который в нашем случае обеспечивает сервовитную пленку [7].
Работоспособность пленки определяется ее адгезионной прочностью, энергия которой Wn определяется [2]
Wn = Жа + W деф
где Wa - энергия адгезии; W деф - энергия (работа) деформации компонентов адгезивного слоя.
Сервовитная пленка растет до определенного уровня. После чего в результате работы сил трения происходит пластическое деформирование сервовитной пленки. Постепенно будет накапливаться W деф . Прочность пленки будет определяться энергией деформирования, необходимой для ее разрушения. W деф в свою очередь будет определяться суммарной работой по образованию дислокаций. Наиболее подвержены деформации и разрушению поверхностные слои, в которых будут сосредотачиваться дислокации. Частицы с избыточной W деф отрываются но, за счет ПАВ, они снова пластифицируются (при этом их реологические свойства обратно пропорциональны размерам частиц) и за счет адгезии снова формируют сервовитную пленку. Этот процесс находится в постоянном динамическом равновесии [4].
Все вышерассмотренные факторы позволяют сделать вывод, что повышение степени диспергирования частиц позволяет с наименьшими энергетическими затратами формировать устойчивую сервовитную пленку, что в свою очередь позволяет более качественно осуществить эффект безызносности при применении металлоплакирующих смазок.
Исследование заканчивается заявкой на изобретение [патент 20655483
(РФ)].
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Долговечность трущихся деталей машин. Выпуск 3// под общ. ред. Гаркунова Д.Н. - М.: Машиностроение, 1988, 271 с.
2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии (Поверхностные явления и дисперсионные системы): учебник для вузов.- М.:Химия, 1982, 400 с.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника, 2-е изд. перераб. и доп ., М.: Машиностроение, 1989, 328 с.
4. Кащеев В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов.- М.: Машиностроение, 1978, 213 с.
5. Робертс М., Макки И. Химия поверхности раздела металл-газ.-М.: Мир, 1981, 539 с.
6. Смазочные материалы. Атнифрикционные и противоизносные свойства. Методы испытаний. Справочник//Р.М.Моивеевский , В.П. Лашхи, И.А.Буяновский и др. Машиностроение, 1989, 224 с.
7. Земон А.Д. Адгезия пыли и порошков. перераб. и доп ., М.: Химия, 1976, 430 с.
